KR102196265B1 - 배터리 팩 온도 제어 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리 팩 온도 제어 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 충/방전 시 배터리 팩이 극저온상태인 경우, 온도의 상승에 따라 증가하는 듀티비 값을 가진 PWM 신호를 출력하여 발열부를 간헐적으로 구동시킴에 따라 안정적으로 배터리 팩의 온도가 상승될 수 있도록 하는 배터리 팩 온도 제어방법 및 장치에 관한 것이다.

Description

배터리 팩 온도 제어 방법 및 장치{METHOD AND SYSTEM FOR CONTROLING TEMPERATURE OF A BATTERY PACK}
본 발명은 배터리 팩 온도 제어 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 충/방전 시 배터리 팩이 극저온상태인 경우, 온도의 상승에 따라 증가하는 듀티비 값을 가진 PWM 신호를 출력하여 발열부를 간헐적으로 구동시킴에 따라 안정적으로 배터리 팩의 온도가 상승될 수 있도록 하는 배터리 팩 온도 제어방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적인 배터리 팩은 충/방전이 가능한 이차전지로 구성되어 있으며, 이러한 이차전지는 단위 셀(cell)이 복수 개 구성되는 어셈블리(assembly)가 복수 개로 이루어지는 구성이다. 또한, 상기 셀은 양극 집전체, 세퍼레이터, 활물질, 전해액, 알루미늄 박막층 등으로 구성되며, 배터리 팩의 충/방전은 전기 화학적 반응에 의하여 이루어지므로 배터리 팩은 주변 온도 조건 환경에 영향을 받게 된다.
일반적으로 배터리 팩은 -20℃도 내지 50 ℃정도에서 운용되도록 권장되고 있으나, 겨울철 산과 같은 곳에서의 - 20℃ 이하와 같은 환경에서도 배터리 팩은 운용될 필요가 있다.
그러나 이러한 극저온상태에서 배터리 팩은 전해액의 점도는 높아져 내부저항이 증가되고 충/방전 시 이동하는 리튬의 이온의 움직임이 느려짐에 따라 실질적으로 사용 가능한 배터리 팩의 용량이 감소되는 문제가 발생하며, 배터리 팩의 수명이나 안정성, 구동 성능이 저하되는 문제가 발생된다.
상기와 같은 배터리 팩의 내부 온도 저하 문제를 해결하기 위하여 종래에는 단순히 Li-ion 배터리 팩에 발열부품을 부착하여 배터리 팩의 내부 온도 값을 증가시킨 후, 충/방전을 수행해왔다.
그러나 상기 발열부품은 상기 배터리 팩에 의하여 구동됨에 따라 극저온 시 충/방전을 위하여 발열부품을 구동시키는 경우, 극저온에 의하여 감소된 용량에 따른 배터리 팩의 최소 방전전압 이하까지 사용함에 따라 영구적인 손상이 발생되어 이로 인하여 폭발 및 발화와 같은 위험한 상황이 발생될 수 있었다.
이를 해결하기 위하여 배터리 팩 내 BMS(Battery Management System)를 통해 배터리 팩의 최소 방전전압을 제한하는 제어를 하였으나, 충분히 열이 배터리 팩 전체적으로 전달되지 않은 상태에서 최소 방전전압에 의한 발열부품의 구동이 중단되는 추가적인 문제점이 발생하였다.
따라서 극저온 상태에서의 충/방전 수행 전, 발열부품의 구동에 의하여 배터리 팩의 용량이 최소 방전전압 미만으로 사용되지 않아 안정적인 배터리 팩을 사용할 수 있도록 하는 기술 개발이 요구된다.
KR 10-2016-00112073 A
본 발명은 극저온 시 구동되는 발열부품의 발열을 제어하여 안전하고 안정적인 배터리 팩을 사용할 수 있는 배터리 팩 온도 제어방법 및 장치를 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩 온도제어 방법은 배터리 팩의 온도 값을 제어하는 방법에 있어서, 충/방전 수행 전 배터리 팩의 온도 값을 측정하는 배터리 팩 온도 측정단계, 상기 배터리 팩 온도 측정단계에서 측정된 배터리 팩의 온도 값이 기 설정된 제2 기준온도 값 미만인 경우, 발열부가 간헐적으로 구동되도록 발열부 스위치를 소정의 제1 듀티비를 가지는 펄스변조(PWM) 신호로 온(ON)/오프(OFF) 제어하는 발열부 초기 구동단계, 상기 발열부 초기 구동단계에서 발열부가 구동된 후, 배터리 팩의 온도가 제2 기준온도 값 이상이며 제1 기준온도 값 미만인 경우, 상기 발열부 초기 구동단계에서의 제1 듀티비를 가지는 펄스변조(PWM) 신호를 제2 듀티비를 가지는 펄스변조(PWM) 신호로 출력하여 상기 발열부 스위치를 온(ON)/오프(OFF) 시키는 발열부 지속시간 증가단계 및 상기 발열부 지속시간 증가단계 후, 배터리 팩의 온도가 기 설정된 제1 기준온도 값 이상인 경우, 발열부가 연속적으로 구동되도록 상기 제2 듀티비를 가지는 펄스변조(PWM)신호의 듀티비를 100%로 하여 발열부 스위치를 연속적으로 온(ON) 시키는 발열부 연속 구동단계를 포함하여 구성되며, 상기 제2 듀티비는 상기 제1 듀티비보다 크다.
상기 발열부 초기 구동단계는, 배터리 팩의 온도가 낮을수록 제1 듀티비를 작게 설정한다.
상기 발열부 지속시간 증가단계는, 상기 발열부 초기 구동단계 후, 상기 제1 듀티비를 가지는 펄스변조(PWM)신호로 온(ON)/오프(OFF) 제어되는 발열부로부터 가열된 배터리 팩의 온도 값을 주기적으로 측정하는 배터리 팩 온도 재측정단계, 상기 배터리 팩 온도 재측정단계에서 측정된 배터리 팩의 온도 값을 기 설정된 제2 기준온도 값과 비교하는 배터리 팩 온도 비교단계 및 상기 배터리 팩 온도 비교단계의 비교결과로 측정된 배터리 팩의 온도가 기 설정된 제2 기준온도 값 이상인 경우, 상기 펄스변조(PWM)신호의 제1 듀티비를 제2 듀티비로 증가시켜 출력하는 보정 펄스변조(PWM) 신호 출력단계를 포함하여 구성된다.
상기 배터리 팩 온도 측정단계 후에, 상기 배터리 팩 온도 측정단계에서 측정된 배터리 팩의 온도가 기 설정된 제2 기준온도 값 이상이며 제1 기준온도 값 미만인 경우, 상기 펄스변조(PWM)신호의 제2 듀티비를 초기 구동 듀티비로 설정하여 발열부 스위치를 온(ON)/오프(OFF) 시킨다.
상기 배터리 팩 온도 측정단계 후에, 상기 배터리 팩 온도 측정단계에서 측정된 배터리 팩의 온도가 기 설정된 제1 기준온도 값 이상인 경우, 펄스변조(PWM)신호의 초기 구동 듀티비를 100%로 하여 발열부 스위치를 연속적으로 온(ON) 시킨다.
본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩 온도제어 장치는 복수개의 배터리 셀로 구성된 배터리 팩의 온도제어 장치에 있어서, 상기 배터리 팩을 감싸도록 형성된 발열부, 상기 발열부에 전류 공급을 온/오프 하는 발열부 스위치부 및 상기 배터리 팩의 온도에 따라 발열부 스위치부를 온/오프 제어하는 펄스변조(PWM) 신호를 출력하는 BMS를 포함하여 구성되며, 상기 펄스변조(PWM)신호의 듀티비는 상기 배터리 팩의 온도에 따라 결정된다.
상기 BMS는, 상기 배터리 팩의 온도 값을 측정하는 배터리 팩 온도 측정부, 상기 배터리 팩 온도 측정부에서 측정된 온도 값을 기 설정된 복수개의 기준온도 값과 비교하는 온도 비교부 및 상기 온도 비교부의 비교 결과에 따라 각각의 소정의 듀티비를 가진 펄스변조(PWM) 신호를 출력하는 펄스변조(PWM) 신호출력부를 포함하여 구성된다.
상기 펄스변조(PWM) 신호출력부는, 상기 배터리 팩 온도 측정부에서 측정된 배터리 팩의 온도가 기 설정된 제2 기준온도 값 미만인 경우, 소정의 제1 듀티비를 가진 펄스변조(PWM) 신호를 출력하고, 상기 배터리 팩 온도 측정부에서 측정된 배터리 팩의 온도가 기 설정된 제2 기준온도 값 이상이며 제1 기준온도 값 미만인 경우, 발열부의 구동시간이 증가하도록 상기 제1 듀티비보다 증가된 소정의 제2 듀티비를 가진 보정 펄스변조(PWM) 신호를 출력하고, 상기 배터리 팩 온도 측정부에서 측정된 배터리 팩의 온도가 기 설정된 제1 기준온도 값 이상인 경우, 상기 발열부가 지속적으로 구동되도록 발열부 스위치부를 연속적으로 온 시키는 제3 듀티비를 가진 펄스변조(PWM) 신호를 출력한다.
상기 펄스변조(PWM) 신호 출력부는, 배터리 팩의 온도가 낮을수록 제1 듀티비를 작게 설정하여 펄스변조(PWM) 신호를 출력한다.
상기 BMS는, 상기 발열부 스위치부의 온(ON)/오프(OFF) 스위칭 제어신호를 출력하는 스위치 온(ON)/오프(OFF) 신호 출력부를 추가로 포함하여 구성되며, 상기 스위치 온(ON)/오프(OFF) 신호 출력부는 상기 펄스변조(PWM) 신호 출력부를 우회하여 상기 발열부 스위치를 직접 제어한다.
본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩 온도 제어방법 및 장치는 극저온 상태에서 소정의 듀티비를 가진 PWM 신호를 출력시키고 상승되는 온도에 따라 듀티비를 증가시켜 배터리 팩의 온도가 안정적으로 증가할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩 온도 제어방법의 순서도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩 온도 제어방법 중 발열부 지속시간 증가단계의 순서도.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩 온도 제어방법에서의 PWM 신호 그래프.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩 온도 제어장치의 블록도.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명에 실시 예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명이 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 단지 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
또한, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 식별하는 목적으로만 사용된다. 예컨대, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
<실시 예 1>
다음으로 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩 온도 제어방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 배터리 팩 온도 제어방법은 배터리 팩이 저온상태에서 충/방전을 수행하는 경우, 소정의 듀티비를 가진 PWM 신호를 출력하여 발열부를 구동한 후, 상승되는 배터리 팩의 온도에 따라 출력된 PWM 신호의 듀티비를 증가시켜 배터리 팩의 온도 값을 안정적으로 증가시키는 방법이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩 온도 제어방법의 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩 온도 제어방법은 충/방전 수행 전 배터리 팩의 온도 값을 측정하고(배터리 팩 온도 측정단계: S110), 측정된 배터리 팩의 온도가 기 설정된 제2 기준온도 값 미만인 경우, 발열부가 간헐적으로 구동되도록 발열부 스위치를 소정의 제1 듀티비를 가지는 펄스변조(PWM) 신호로 온(ON)/오프(OFF) 제어한다(발열부 초기 구동단계: S120).
상기 발열부 초기 구동단계(S120)에서 발열부가 구동된 후, 배터리 팩의 온도가 제2 기준온도 값 이상이며 제1 기준온도 값 미만인 경우, 상기 발열부 초기 구동단계(S120)에서의 제1 듀티비를 가지는 펄스변조(PWM) 신호를 제2 듀티비를 가지는 펄스변조(PWM) 신호로 출력하여 상기 발열부 스위치를 온(ON)/오프(OFF) 시키고(발열부 지속시간 증가단계: S130), 발열부 지속시간 증가단계 후, 배터리 팩의 온도가 기 설정된 제1 기준온도 값 이상인 경우, 발열부가 연속적으로 구동되도록 상기 제2 듀티비를 가지는 펄스변조(PWM)신호의 듀티비를 100%로 하여 발열부 스위치를 연속적으로 온(ON) 시킨다(발열부 연속 구동단계: S140). 여기서 제2 듀티비는 상기 제1 듀티비보다 큰 값이다.
본 발명은 극저온 상태에서 충/방전을 수행하기 위하여 배터리 팩의 온도 값을 상승시키는 발명이다. 일반적으로 충전 시 배터리 팩의 적정 구동온도는 0~45℃이고, 방전 시 배터리 팩의 적정 구동온도는 -20~60℃이며 배터리 팩은 이러한 적정 구동온도 값을 유지해야 한다.
따라서, 일 실시 예로서, 상기 기 설정된 제2 기준온도 값은 극저온 상태의 기준 값인 -20℃로 설정한다.
또한, 상기 기 설정된 제1 기준온도 값은 일 실시 예로서, 저온 상태에서 감소된 배터리 팩의 용량이 소정범위 회복된 온도인 -10℃로 설정한다.
또한, 상기 배터리 팩 온도 제어방법의 각 단계는 하기에서 더욱 상세하게 설명한다.
상기 배터리 팩 온도 측정단계(S110)는 충/방전 수행 전 배터리 팩의 온도 값을 측정하는 단계로서, 배터리 팩에 사용되는 배터리 셀이 온도에 영향을 크게 받는 리튬계 배터리 셀임에 따라 충/방전 수행 전 배터리 팩의 상태가 충/방전을 수행할 수 있는 상태인지 확인하기 위하여 온도 값을 측정한다.
또한, 리튬계 배터리 셀은 일반적으로 극저온상태에서 배터리 팩은 전해액의 점도는 높아짐에 따라 내부저항이 증가되고 충/방전 시 이동하는 리튬의 이온의 움직임이 느려지므로 실질적으로 사용 가능한 배터리 팩의 용량이 감소되며, 충/방전을 지속적으로 사용하는 경우, 배터리 팩 내에 영구적인 손상이 발생되고 발화 및 폭발의 위험이 발생된다.
이를 개선하기 위하여 배터리 팩을 가열시키는 것으로서, 이러한 단계가 상기 발열부 초기 구동단계(S120)이다.
상기 발열부 초기 구동단계(S120)는 상기 배터리 팩 온도 측정단계(S110)에서 측정된 배터리 팩의 온도가 기 설정된 제2 기준온도 값 미만인 경우, 발열부가 간헐적으로 구동되도록 발열부 스위치를 소정의 제1 듀티비를 가지는 펄스변조(PWM) 신호로 온(ON)/오프(OFF) 제어하는 단계로서, 발열부에 사용되는 전압을 제어하여 극저온 상태에서 감소된 배터리 팩의 사용 가능 용량에 따라 최소 방전전압 미만으로 배터리 팩의 전압이 떨어지지 않도록 한다.
상기 발열부 초기 구동단계(S120)는, 소정의 제1 듀티비를 가지는 초기 펄스변조(PWM)신호를 상기 발열부 스위치의 제어신호로 출력한다. 여기서 상기 제1 듀티비는, 기 설정된 제2 기준온도 값 미만인 상태에서의 최소 방전전압에 의하여 정해지는 것으로서, 30% 미만으로 설정하여 최소한의 배터리 팩의 전력을 이용하여 상기 발열부가 구동될 수 있도록 한다.
또한, 제1 듀티비는, 배터리 팩의 온도가 낮을수록 제1 듀티비를 작게 설정한다.
또한, 온도가 감소될수록 배터리 팩의 방전 가능 용량이 점점 감소하므로 제2 기준온도 값 미만인 상태에서는 각 온도 구간별로 제1 듀티비가 별도로 설정되어 효율적인 제어가 이루어질 수 있도록 한다.
예를 들면, -42℃~ -40℃는 제1 듀티비가 30%로 설정되고, -44℃~ -42℃는 제1 듀티비를 25%를 설정하는 것과 같이 다르게 값을 조정할 수 있다.
또한, 상기 발열부 지속시간 증가단계(S130)는 상기 발열부 초기 구동단계(S120)에서 발열부가 구동된 후, 배터리 팩의 온도가 제2 기준온도 값 이상이며 제1 기준온도 값 미만인 경우, 상기 발열부 초기 구동단계(S120)에서의 제1 듀티비를 가지는 펄스변조(PWM) 신호를 제2 듀티비를 가지는 펄스변조(PWM) 신호로 출력하여 상기 발열부 스위치를 온(ON)/오프(OFF) 시키는 단계로서, 도 2를 참고하여 더욱 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩 온도 제어방법 중 발열부 지속시간 증가단계의 순서도이다.
도 2를 참고하면, 상기 발열부 지속시간 증가단계(S130)는 상기 발열부 초기 구동단계(S120) 후, 상기 제1 듀티비를 가지는 펄스변조(PWM)신호로 온(ON)/오프(OFF) 제어되는 발열부로부터 가열된 배터리 팩의 온도 값을 주기적으로 측정하고(배터리 팩 온도 재측정단계: S131), 측정된 배터리 팩의 온도 값을 기 설정된 제2 기준온도 값과 비교한다(배터리 팩 온도 비교단계: S132).
상기 배터리 팩 온도 비교단계(S132)의 비교결과로 상기 측정된 발열부의 온도가 기 설정된 제2 기준온도 값 이상인 경우, 상기 펄스변조(PWM)신호의 제1 듀티비를 제2 듀티비로 증가시켜 출력한다(보정 펄스변조(PWM) 신호 출력단계: S133).
좀 더 상세하게 설명하자면, 상기 배터리 팩 온도 재측정단계(S131)는 상기 발열부 초기 구동단계 후, 상기 제1 듀티비를 가지는 펄스변조(PWM)신호로 온(ON)/오프(OFF) 제어되는 발열부로부터 가열된 배터리 팩의 온도 값을 주기적으로 측정하는 단계로서, 배터리 팩의 온도 값을 지속적으로 모니터링할 수 있도록 한다.
여기서 상기 배터리 팩 온도 재측정단계(S131)는 상기 측정된 배터리 팩의 온도가 기 설정된 제2 기준온도 값 이상이 될 때까지 반복하여 수행한다.
또한, 상기 배터리 팩 온도 비교단계(S132)는 상기 배터리 팩 온도 재측정단계에서 측정된 배터리 팩의 온도 값을 기 설정된 제2 기준온도 값과 비교하는 단계로서, 상기 소정의 초기 듀티비를 가지는 초기 펄스변조(PWM)신호를 통해 구동된 발열부에 의하여 배터리 팩의 온도가 배터리 팩의 소정의 용량을 확보할 수 있는 온도까지 상승되었는지 확인하기 위하여 수행한다.
상기 보정 펄스변조(PWM) 신호 출력단계(S133)는 상기 배터리 팩 온도 제1 비교단계의 비교결과로 상기 측정된 배터리 팩의 온도가 기 설정된 제2 기준온도 값 이상인 경우, 상기 펄스변조(PWM)신호의 제1 듀티비를 제2 듀티비로 증가시켜 출력하는 단계로서, 빠른 배터리 팩 운용을 위하여 발열부에서 발생하는 열이 증대될 수 있도록 한다.
여기서 증가되는 듀티비는 30%~60% 이내의 값으로 설정하지만 이에 한정되지 않는다.
또한, 상기 발열부 연속 구동단계(S140)는 상기 발열부 지속시간 증가단계(S130) 후, 배터리 팩의 온도가 기 설정된 제1 기준온도 값 이상인 경우, 발열부가 연속적으로 구동되도록 상기 제2 듀티비를 가지는 펄스변조(PWM)신호의 듀티비를 100%로 하여 발열부 스위치를 연속적으로 온(ON) 시키는 단계로서, 이는 배터리 팩의 용량이 소정의 정상범위로 회복되는 상태이므로 이에 따라 발열부가 완전방전으로부터 안전하고 빠르게 배터리 팩을 가열시킬 수 있다.
또한, 상기 보정 펄스변조(PWM) 신호 출력단계 및 발열부 연속 구동단계(S140)에서 증가되는 PWM 신호의 듀티비는 점진적으로 증가하는 방식을 사용할 수도 있다.
또한, 상기 배터리 팩 온도 측정단계(S110)에서 측정된 배터리 팩의 온도가 기 설정된 제2 기준온도 값 이상이며 제2 기준온도 값 미만인 경우, 상기 펄스변조(PWM)신호의 제2 듀티비를 초기 구동 듀티비로 설정하여 발열부 스위치를 온(ON)/오프(OFF) 시키고, 상기 배터리 팩 온도 측정단계 후에, 상기 배터리 팩 온도 측정단계에서 측정된 배터리 팩의 온도가 기 설정된 제1 기준온도 값 이상인 경우, 펄스변조(PWM)신호의 초기 구동 듀티비를 100%로 하여 발열부 스위치를 연속적으로 온(ON) 시킨다.
상기의 발열부 구동방법은 도 3을 참고하여 더욱 상세하게 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩 온도 제어방법에서의 PWM 신호 그래프이다.
도 3을 참고하면, 도 3-(a)는 상기 배터리 팩 온도 측정단계(S110)에서 측정된 배터리 팩의 온도가 -20℃ 미만인 경우, 발열부 스위치로 출력되는 제1 듀티비를 가진 PWM 신호의 그래프이다.
이는 극저온에 의하여 기존의 배터리 팩의 용량보다 낮은 상태임에 따라 발열부가 최소한으로 구동되어 배터리 팩의 완전방전을 방지한다.
상기 PWM신호는 일 실시 예로 30%로 정하여 발열부의 구동이 30%만 이루어질 수 있도록 한다.
또한, 도3-(b)는 상기 배터리 팩 온도 재측정단계(S131) 에서 측정된 배터리 팩의 온도가 -20℃ 이상인 경우, 상기 도 3-(a)에서 출력된 PWM 신호의 듀티비가 증가되어 발열부 스위치로 출력된 제2 듀티비를 가진 신호의 그래프이다.
이는 현재 배터리 팩의 용량이 상기 극저온 상태의 배터리 팩의 용량보다는 높지만 기존의 배터리 팩의 용량보다는 낮은 상태임에 따라 발열부는 상기 도 3-(a)보다는 빈번하게 구동되어 배터리 팩의 내부온도가 상승될 수 있도록 한다.
상기 PWM신호는 일 실시 예로 55%로 정하여 발열부의 구동이 55%만 이루어질 수 있도록 한다.
또한, 도3-(c)는 주기적으로 측정된 배터리 팩의 온도가 -10℃ 이상인 경우, 상기 도 3-(b)에서 출력된 PWM 신호의 듀티비가 증가되어 출력되거나 별도로 구비된 발열부 온/오프 신호 출력부에 의하여 온 신호가 출력된 신호의 그래프이다.
이는 현재 배터리 팩의 용량이 정상 배터리 팩의 용량으로 거의 회복되었으므로 안정적인 배터리 팩 사용을 위하여 발열부를 지속적으로 구동시킨다.
상기 PWM신호는 100%임에 따라 발열부의 구동이 정상적으로 이루어진다.
또한, 상기 배터리 팩 온도 측정단계(S110)에서 측정된 배터리 팩의 온도가 -20℃ 이상이며 -10℃ 미만인 경우, 상기 도 3-(b)의 듀티비가 55%인 PWM 신호를 초기 신호로 출력하여 기존의 발열부 구동보다는 배터리 팩의 전력소모가 감소될 수 있도록 한다.
또한, 이러한 듀티비 제어단계의 구성 외에도 온도에 따라 좀 더 세밀하게 듀티비 제어단계를 분류하여 좀 더 정밀한 제어도 가능하도록 한다.
<실시 예 2>
다음으로 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩 온도 제어장치에 대하여 설명한다.
본 발명의 배터리 팩 온도제어 장치는 극저온 시 배터리 팩에 부착된 발열부가 간헐적으로 온/오프 되도록 발열부 스위치를 제어하여 안정적이고 안전하게 배터리 팩의 충/방전을 수행할 수 있도록 한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩 온도 제어장치의 블록도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩 온도 제어장치(300)는 복수 개의 배터리 셀로 구성된 배터리 팩(320)을 감싸도록 형성된 발열부(330), 발열부(330)에 전류 공급을 온/오프 하는 발열부 스위치부(340) 및 상기 발열부 스위치부(340)를 온/오프 제어하는 PWM 신호를 출력하는 BMS(310)를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 펄스변조(PWM)신호의 듀티비는 상기 배터리 팩의 온도에 따라 결정된다.
또한, 상기 발열부(330)의 구동을 제어하는 BMS(310)에 대하여 아래에서 더욱 상세하게 설명한다.
상기 BMS(310)는 상기 배터리 팩(320)의 온도 값을 측정하는 배터리 팩 온도 측정부(311), 배터리 팩 온도 측정부(311)에서 측정된 온도 값을 기 설정된 복수 개의 기준온도 값과 비교하는 온도 비교부(312) 및 온도 비교부(312)의 비교 결과에 따라 각각의 소정의 듀티비를 가진 PWM 신호를 출력하는 PWM 신호 출력부(313)를 포함하여 구성된다.
하기에서 상기 BMS(310)의 구성에 대하여 좀 더 상세하게 설명한다.
또한, 상기 BMS(310)는 내부에 온도센서를 장착하여 BMS(310) 내에 있는 소자들의 온도도 감지될 수 있도록 하는 BMS 온도 측정부를 추가로 포함하여 구성된다. 이러한 구성은 상기 배터리 팩 온도 측정부(311)를 대신하거나 기존 구성에 추가되어 배터리 팩 온도제어의 정확성을 증대시킨다.
상기 배터리 팩 온도 측정부(311)는 배터리 팩의 온도 값을 측정하는 구성으로서, 좀 더 엄밀하게 말하자면 각각의 구성에서 온도가 측정될 수 있도록 명령하는 구성이다.
상기 배터리 팩(320)은 전체 배터리 팩의 전류가 흐르는 경로에 온도센서를 부착하여 상기 배터리 팩 온도 측정부(311)의 명령에 따라 온도센서에서 온도 값을 감지하고 감지된 온도 값을 배터리 팩 온도 측정부(311)에 전송한다.
이렇게 배터리 팩 온도 측정부(311)로 전송된 온도 값은 온도 비교부(312)로 전달되어 기 설정된 복수개의 기준온도 값과 비교하여 PWM 신호출력여부를 판단할 수 있도록 한다.
또한, 일반적으로 충전 시 배터리 팩의 적정 구동온도는 0~45℃이고, 방전 시 배터리 팩의 적정 구동온도는 -20~60℃임에 따라 일 실시 예로 상기 기 설정된 제2 기준온도 값은 상기 극저온 상태의 기준 값인 -20℃를 의미한다.
또한, 상기 기 설정된 복수개의 기준 온도 값 중 제1 기준온도 값은 저온 상태에서 감소된 배터리 팩의 용량이 소정범위 회복된 온도인 -10℃를 의미한다.
또한, 상기 PWM 신호 출력부(313)는 온도 비교부의 비교 결과에 따라 각각의 소정의 듀티비를 가진 펄스변조(PWM) 신호를 출력하는 구성으로서, 상기 배터리 팩 온도 측정부(311)에서 측정된 배터리 팩의 온도가 기 설정된 제2 기준온도 값 미만인 경우, 상기 발열부 스위치부(340)를 온 시키는 제1 듀티비를 가진 펄스변조(PWM)신호를 출력하여 배터리 팩(320)의 완전방전을 방지한다.
이는 극저온상태인 경우, 사용 가능한 배터리 팩의 용량이 극히 제한됨에 따라 배터리 팩의 전압을 사용하여 구동되는 발열부로 인하여 배터리 팩이 완전방전이 되지 않도록 한다.
또한, 상기 PWM 신호 출력부(313)는 배터리 팩의 온도가 낮을수록 제1 듀티비를 작게 설정하여 펄스변조(PWM) 신호를 출력할 수 있도록 한다.
이는 배터리 팩의 완전방전을 방지하면서 빠르게 배터리 팩의 온도가 증가될 수 있도록 하기 위함이다.
또한, 상기 배터리 팩 온도 측정부(311)에서 측정된 온도가 기 설정된 값 제2 기준온도 값 이상이며 제1 기준온도 값 미만인 경우, 발열부의 구동시간이 증가하도록 상기 제1 듀티비보다 증가된 소정의 제2 듀티비를 가진 보정 펄스변조(PWM) 신호를 출력하고, 상기 배터리 팩 온도 측정부에서 측정된 배터리 팩의 온도가 기 설정된 제1 기준온도 값 이상인 경우, 상기 발열부가 지속적으로 구동되도록 발열부 스위치부(340)를 연속적으로 온 시키는 제3 듀티비를 가진 펄스변조(PWM) 신호를 출력한다.
여기서 상기 제1 듀티비는 일 실시 예로 30%로 설정하고, 상기 소정의 제2 듀티비는 50%로 설정함에 따라 제2 듀티비는 제1 듀티비보다 증가되어 상기 발열부(330)가 극저온상태 때보다 좀 더 구동될 수 있도록 한다.
또한, 상기 제3 듀티비는 일 실시 예로 100%로 설정하여 상기 발열부(330)에 오프 신호가 수신될 때까지 지속적으로 배터리 팩(110)이 구동될 수 있도록 한다.
또한, 상기 발열부(330)의 온/오프만 제어할 수 있도록 온/오프 신호를 출력하는 별도의 스위치 온/오프 신호 출력부가 추가로 구성될 수도 있다.
이는 상기 PWM 신호 출력부(313)보다 상기 온/오프 신호 출력부의 알고리즘이 좀 더 간단하므로 배터리 팩의 적정 구동 온도이상이 되는 경우, 상기 펄스변조(PWM) 신호 출력부를 우회하여 상기 발열부 스위치가 직접 제어될 수 있도록 한다.
상기 배터리 팩(320)은 복수개의 배터리 셀이 직/병렬로 연결된 구성으로서, 여기에 사용되는 배터리 셀은 온도에 영향을 크게 받는 리튬계 배터리 셀이다.
일반적으로 리튬계 배터리 셀은 극저온상태에서 배터리 팩은 전해액의 점도는 높아짐에 따라 내부저항이 증가되고 충/방전 시 이동하는 리튬의 이온의 움직임이 느려지므로 실질적으로 사용 가능한 배터리 팩의 용량이 감소되며, 충/방전을 지속적으로 사용하는 경우, 배터리 팩 내에 영구적인 손상이 발생되고 발화 및 폭발의 위험이 발생된다.
이를 위하여 상기 발열부(330)는 상기 배터리 팩(320)을 감싸도록 형성되어 배터리 팩이 충/방전이 용이한 적정온도로 유지될 수 있도록 열을 가하는 구성으로서, 패드, 열선, 액체 히터 또는 금속 히터를 이용할 수 있으며 상기 배터리 팩(320)의 상부, 하부, 상하부 또는 셀 측면에 둘러싸 부착하는 형태로 구성될 수 있다.
또한, 상기 발열부 스위치부(340)는 상기 발열부에 전류 공급을 온/오프 하는 구성으로서, 상기 PWM 신호 출력부(313)나 온/오프 신호 출력부에서 출력되는 신호를 통해 온/오프 제어된다.
또한, 제2 기준온도 값 미만인 상태에서 최소 방전전압 값은 점점 증가하므로 이에 따라 각 온도 구간별로 제1 듀티비가 별도로 설정되어 효율적인 제어가 이루어질 수 있도록 한다.
예를 들면, -42℃~ -40℃는 제1 듀티비가 30%로 설정되고, -44℃~ -42℃는 제1 듀티비를 25%를 설정하는 것과 같이 다르게 값을 조정할 수 있다.
한편, 하기에서는 배터리 팩 온도제어 장치(300)의 구동방법에 대하여 상세하게 설명한다.
배터리 팩 온도제어 장치(300)는 충/방전 수행 전 배터리 팩 온도 측정부(311)를 통해 배터리 팩의 온도 값을 측정하는데, 온도 비교부(312)를 통해 배터리 팩의 온도 값이 기 설정된 제2 기준온도 값 미만인 경우, PWM 신호 출력부(313)를 통해 발열부(330)에 전류를 공급하는 발열부 스위치(340)로 제1 듀티비 제어신호를 출력한다.
이후 배터리 팩 온도 측정부(311)는 주기적으로 배터리 팩(320)의 온도 값을 측정하여 온도 비교부(312)를 통해 배터리 팩(320)의 온도 값이 기 설정된 제2 기준온도 값 이상인 경우, 상기 PWM 신호 출력부(314)는 상기 제1 듀티비 제어신호보다 증가된 제2 듀티비의 PWM 신호를 상기 발열부 스위치(340)로 출력한다.
그런 후, 배터리 팩 온도 측정부(311)를 통해 주기적으로 배터리 팩(320)의 온도 값을 측정하고, 측정된 배터리 팩(320)의 온도 값이 기 설정된 제1 기준온도 값 이상인 경우, 상기 PWM 신호 출력부(314)를 통해 100%의 듀티비를 가진 제3 듀티비의 PWM 신호를 출력하거나 추가로 구성된 온/오프 신호 출력부를 통해 온 제어신호를 출력한다.
300: 배터리 팩 온도 제어장치
310: BMS
311: 배터리 팩 온도 측정부
312: 온도 비교부
313: PWM 신호 출력부
320: 배터리 팩
330: 발열부
340: 발열부 스위치부

Claims (10)

  1. 배터리 팩의 온도 값을 제어하는 방법에 있어서,
    충/방전 수행 전 배터리 팩의 온도 값을 측정하는 배터리 팩 온도 측정단계;
    상기 배터리 팩 온도 측정단계에서 측정된 배터리 팩의 온도 값이 기 설정된 제2 기준온도 값 미만인 경우, 발열부가 간헐적으로 구동되도록 발열부 스위치를 소정의 제1 듀티비를 가지는 펄스변조(PWM) 신호로 온(ON)/오프(OFF) 제어하는 발열부 초기 구동단계;
    상기 발열부 초기 구동단계에서 발열부가 구동된 후, 배터리 팩의 온도가 제2 기준온도 값 이상이며 제1 기준온도 값 미만인 경우, 상기 발열부 초기 구동단계에서의 제1 듀티비를 가지는 펄스변조(PWM) 신호를 제2 듀티비를 가지는 펄스변조(PWM) 신호로 출력하여 상기 발열부 스위치를 온(ON)/오프(OFF) 시키는 발열부 지속시간 증가단계; 및
    상기 발열부 지속시간 증가단계 후, 배터리 팩의 온도가 기 설정된 제1 기준온도 값 이상인 경우, 발열부가 연속적으로 구동되도록 상기 제2 듀티비를 가지는 펄스변조(PWM)신호의 듀티비를 100%로 하여 발열부 스위치를 연속적으로 온(ON) 시키는 발열부 연속 구동단계; 를 포함하여 구성되며,
    상기 제2 듀티비는 상기 제1 듀티비보다 큰 것을 특징으로 하는 배터리 팩 온도제어 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 발열부 초기 구동단계는, 배터리 팩의 온도가 낮을수록 제1 듀티비를 작게 설정하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 온도제어 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 발열부 지속시간 증가단계는,
    상기 발열부 초기 구동단계 후, 상기 제1 듀티비를 가지는 펄스변조(PWM)신호로 온(ON)/오프(OFF) 제어되는 발열부로부터 가열된 배터리 팩의 온도 값을 주기적으로 측정하는 배터리 팩 온도 재측정단계;
    상기 배터리 팩 온도 재측정단계에서 측정된 배터리 팩의 온도 값을 기 설정된 제2 기준온도 값과 비교하는 배터리 팩 온도 비교단계; 및
    상기 배터리 팩 온도 비교단계의 비교결과로 측정된 배터리 팩의 온도가 기 설정된 제2 기준온도 값 이상인 경우, 상기 펄스변조(PWM)신호의 제1 듀티비를 제2 듀티비로 증가시켜 출력하는 보정 펄스변조(PWM) 신호 출력단계;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 온도제어 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리 팩 온도 측정단계 후에, 상기 배터리 팩 온도 측정단계에서 측정된 배터리 팩의 온도가 기 설정된 제2 기준온도 값 이상이며 제1 기준온도 값 미만인 경우, 상기 펄스변조(PWM)신호의 제2 듀티비를 초기 구동 듀티비로 설정하여 발열부 스위치를 온(ON)/오프(OFF) 시키는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 온도제어 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리 팩 온도 측정단계 후에, 상기 배터리 팩 온도 측정단계에서 측정된 배터리 팩의 온도가 기 설정된 제1 기준온도 값 이상인 경우, 펄스변조(PWM)신호의 초기 구동 듀티비를 100%로 하여 발열부 스위치를 연속적으로 온(ON) 시키는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 온도제어 방법.
  6. 복수개의 배터리 셀로 구성된 배터리 팩의 온도제어 장치에 있어서,
    상기 배터리 팩을 감싸도록 형성된 발열부;
    상기 발열부에 전류 공급을 온/오프 하는 발열부 스위치부; 및
    상기 배터리 팩의 온도에 따라 발열부 스위치부를 온/오프 제어하는 펄스변조(PWM) 신호를 출력하는 BMS; 를 포함하여 구성되며,
    상기 펄스변조(PWM)신호의 듀티비는 상기 배터리 팩의 온도에 따라 결정되고,
    상기 BMS는,
    상기 배터리 팩의 온도 값을 측정하는 배터리 팩 온도 측정부;
    상기 배터리 팩 온도 측정부에서 측정된 온도 값을 기 설정된 복수개의 기준온도 값과 비교하는 온도 비교부; 및
    상기 온도 비교부의 비교 결과에 따라 각각의 소정의 듀티비를 가진 펄스변조(PWM) 신호를 출력하는 펄스변조(PWM) 신호출력부;를 포함하며,
    상기 펄스변조(PWM) 신호출력부는,
    상기 배터리 팩 온도 측정부에서 측정된 배터리 팩의 온도가 기 설정된 제2 기준온도 값 미만인 경우, 소정의 제1 듀티비를 가진 펄스변조(PWM) 신호를 출력하고,
    상기 배터리 팩 온도 측정부에서 측정된 배터리 팩의 온도가 기 설정된 제2 기준온도 값 이상이며 제1 기준온도 값 미만인 경우, 발열부의 구동시간이 증가하도록 상기 제1 듀티비보다 증가된 소정의 제2 듀티비를 가진 보정 펄스변조(PWM) 신호를 출력하고,
    상기 배터리 팩 온도 측정부에서 측정된 배터리 팩의 온도가 기 설정된 제1 기준온도 값 이상인 경우, 상기 발열부가 지속적으로 구동되도록 발열부 스위치부를 연속적으로 온 시키는 제3 듀티비를 가진 펄스변조(PWM) 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 온도제어 장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 펄스변조(PWM) 신호 출력부는, 배터리 팩의 온도가 낮을수록 제1 듀티비를 작게 설정하여 펄스변조(PWM) 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 온도제어 장치.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 BMS는,
    상기 발열부 스위치부의 온(ON)/오프(OFF) 스위칭 제어신호를 출력하는 스위치 온(ON)/오프(OFF) 신호 출력부를 추가로 포함하여 구성되며,
    상기 스위치 온(ON)/오프(OFF) 신호 출력부는 상기 펄스변조(PWM) 신호 출력부를 우회하여 상기 발열부 스위치를 직접 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 온도제어 장치.
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