KR102477358B1 - 가변유량을 이용한 전기자동차용 배터리 열관리 제어장치 및 방법 - Google Patents

가변유량을 이용한 전기자동차용 배터리 열관리 제어장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가변유량을 이용한 전기자동차용 배터리 열관리 제어장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 폐루프 형태로 형성되어 배터리를 경유하며 열매체가 유동할 수 있는 열매체 라인, 상기 열매체 라인에 배치되어 상기 열매체를 유동 시키는 펌프, 상기 열매체 라인에 배치되어 상기 열매체의 온도를 높이는 히팅부 및 상기 배터리의 온도를 전달받아 상기 펌프를 작동시키는 컨트롤러를 포함한다.
상기 컨트롤러는 상기 배터리의 온도에 따라 상기 펌프를 제어하여 상기 열매체의 유량을 달리한다.

Description

가변유량을 이용한 전기자동차용 배터리 열관리 제어장치 및 방법{Battery thermal management controller and method for electric vehicle using variable flow rate}
본 발명은 가변유량을 이용한 전기자동차용 배터리 열관리 제어장치 및 방법에 관한 것이다.
전기자동차에는 전기모터와, 전기모터에 전기 에너지를 공급하기 위한 배터리 등이 장착되어 있다. 전기자동차는 배터리에 전기 에너지를 충전하고 그 충전된 전기 에너지로 전기모터가 작동하여 주행한다.
배터리는 전기자동차에서 전기 에너지원으로서 매우 중요하다. 배터리는 전기모터를 구동하기 위한 에너지를 공급하는 핵심부품으로 성능에 영향을 주는 요소는 충전방식, 방전율, 온도 등 여러 가지가 있다.
배터리가 온도에 따라 민감하게 성능 변화를 보이면서 그 효율이 떨어지게 되었다. 즉, 2차 전지에 많이 쓰이는 리튬-이온은 전해질과 양극/음극에서 움직이는데, 이때 온도가 낮아질수록 전지 내부 리튬-이온의 이동 속도가 떨어지게 되면서 화학반응이 느려져 저온(-5℃) 이하 상태에서 배터리는 에너지 저장과 전원 공급의 효율이 급격하게 떨어진다. 배터리 온도가 -20℃일 때는 배터리 온도를 4℃까지 가열을 해야만 전기자동차는 운전이 가능하다. 이에 배터리의 온도에 따라 배터리를 온도를 높일 수 있는 기술이 요구되고 있다.
공개특허 제10-1998-054590호 (1998.09.25.) 등록특허 제10-1416416호 (2014.07.01.)
본 발명은 전기자동차의 배터리 온도에 따라 가열된 열매체를 최적으로 유량으로 배터리에 제공하는 가변유량을 이용한 전기자동차용 배터리 열관리 제어장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 한 실시예에 따른 가변유량을 이용한 전기자동차용 배터리 열관리 제어장치는 폐루프 형태로 형성되어 배터리를 경유하며 열매체가 유동할 수 있는 열매체 라인, 상기 열매체 라인에 배치되어 상기 열매체를 유동 시키는 펌프, 상기 열매체 라인에 배치되어 상기 열매체의 온도를 높이는 히팅부 및 상기 배터리의 온도를 전달받아 상기 펌프를 작동시키는 컨트롤러를 포함한다.
상기 컨트롤러는 상기 배터리의 온도에 따라 상기 펌프를 제어하여 상기 열매체의 유량을 달리할 수 있다.
상기 배터리의 온도에 따른 상기 열매체의 유량은 하기와 같은 수학식을 통해 이루어질 수 있다.
[수학식]
Figure 112020140495548-pat00001
여기서, A, B1 및 B2는 히팅부와 펌프의 사양과 운전조건에 따라 실험에 의해 결정되는 상수이다.
상기 히팅부는 유도가열기, 인덕션 히터(induction heater), PTC히터 및 히트펌프 중 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 가변유량을 이용한 전기자동차용 배터리 열관리 제어 방법은 전기자동차의 배터리 온도를 측정하여 배터리 온도에 따른 열매체의 유량을 하기와 같은 수학식으로 제어하는 가변유량을 이용한 전기자동차용 배터리 열관리 제어방법.
[수학식]
Figure 112020140495548-pat00002
여기서, A, B1 및 B2는 히팅부와 펌프의 사양과 운전조건에 따라 실험에 의해 결정되는 상수이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 배터리의 온도에 따른 최적유량을 통하여 배터리의 안정적인 운전이 가능하여 전기자동차의 주행 성능이 향상된다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 가변유량을 이용한 전기자동차용 배터리 열관리 제어장치를 나타낸 개략도.
도 2는 도 1의 히팅부 용량이 2kW일 때 배터리의 온도에 따른 유량 그래프.
도 3은 도 1의 히팅부 용량이 4kW일 때 배터리의 온도에 따른 유량 그래프.
도 4는 도 1의 히팅부 용량이 6kW일 때 배터리의 온도에 따른 유량 그래프.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
그러면 본 발명의 한 실시예에 따른 가변유량을 이용한 전기자동차용 배터리 열관리 제어장치 및 그 방법에 대하여 도 1 내지 도 4를 참고하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 가변유량을 이용한 전기자동차용 배터리 열관리 제어장치를 나타낸 개략도이고, 도 2는 도 1의 히팅부 용량이 2kW일 때 배터리의 온도에 따른 유량 그래프이며, 도 3은 도 1의 히팅부 용량이 4kW일 때 배터리의 온도에 따른 유량 그래프이고, 도 4는 도 1의 히팅부 용량이 6kW일 때 배터리의 온도에 따른 유량 그래프이다.
먼저, 도 1을 참고하면 가변유량을 이용한 전기자동차용 배터리 열관리 제어장치(100)는 열매체 라인(110), 펌프(120), 히팅부(130) 및 컨트롤러(140)를 포함하며 전기자동차의 배터리 온도에 따라 가열된 열매체를 최적 유량으로 배터리에 제공하여 배터리를 가열한다.
열매체 라인(110)은 유체의 열매체가 유동할 수 있는 배관 형태로 형성되어 있으며 양단이 연결되어 폐루프로 형성되어 있다. 열매체 라인(110)은 배터리(1)를 경유하고 있다. 열매체 라인(110)을 유동하는 열매체는 배터리(1)에 열을 전달하여 배터리(1)의 온도를 높인 후 온도가 낮아질 수 있다. 그러나 열매체 라인(110)의 열매체는 배터리(1)의 열을 흡수하여 냉각할 수도 있다. 열매체 라인(110)에는 열매체를 저장하는 탱크(도시하지 않음)가 배치되어 있다.
펌프(120)는 열매체 라인(110)의 기설정된 위치에 배치되어 있으며 열매체에 압력을 가하여 열매체가 열매체 라인(110)을 유동할 수 있도록 한다. 펌프(120)의 소비동력은 가변유량을 이용한 전기자동차용 배터리 열관리 제어장치(100)가 적용되는 전기자동차의 등급에 따라 달라질 수 있다.
히팅부(130)는 유도가열기를 포함한다. 히팅부(130)는 인덕션 히터(induction heater), PTC히터 및 히트펌프 중 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다. 히팅부(130)는 펌프(120)와 배터리(1)의 사이에 위치하여 열매체 라인(110)이 통과할 수 있다. 히팅부(130)는 열매체 라인(110)을 유동하는 열매체를 가열하여 온도를 높일 수 있다. 히팅부(130)가 열매체를 가열하는 온도는 배터리(1)를 경유하면서 온도가 낮아진 열매체의 온도에 따라 달라질 수 있다.
컨트롤러(140)는 펌프(120)와 연결되어 있으며 배터리(1)에 배치된 센서(도시하지 않음)로부터 배터리(1)의 온도를 받는다. 컨트롤러(140)는 수신한 배터리(1)의 온도에 따라 펌프(120)를 작동시킨다. 이때 컨트롤러(140)는 배터리(1)의 온도에 따라 펌프(120)의 동력을 달리하여 유량을 달리할 수 있다. 즉, 컨트롤러(140)는 배터리(1)의 온도가 극저온인 경우 펌프(120)의 동력을 높여 많은 유량이 공급되도록 하며, 배터리(1)의 온도가 상온(4℃)초과하는 경우 펌프(120)의 동력을 낮춰 펌프(120)를 정지시킬 수 있다.
이와 같은 컨트롤러(140)는 배터리(1)의 온도에 따른 열매체의 최적유량은 하기 [수학식 1]을 통해 이루어질 수 있다.
전기자동차의 배터리(1) 온도를 측정하고, [수학식 1]을 이용하여 산출된 열매체의 최적유량이 배터리(1)에 공급되도록 컨트롤러(140)를 통해 펌프(120)를 작동시킨다. 이에 배터리(1)의 온도를 높이기 위한 히팅부(130)에 의해 가열된 열매체를 최적유량으로 배터리(1)에 공급한다. 배터리(1)는 안정적인 운전이 가능하며, 펌프(120)의 작동에 따른 에너지 소비를 최소화할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112020140495548-pat00003
여기서,
Figure 112020140495548-pat00004
는 열매체의 최적유량이고, A, B1, B2는 히팅부와 펌프의 사양과 운전조건에 따라 실험에 의해 결정되는 상수이다.
하기 표 1은 히팅부의 사양에 따른 상수 A, B1, B2를 나타낸다.
[표 1]
Figure 112020140495548-pat00005
이하, 첨부된 도면을 참조하여 히팅부의 용량에 따른 열매체의 최적유량을 설명하기로 한다.
배터리(1) 승온을 위한 히팅부(130)의 사양(용량)이 2kW일때 배터리(1)의 온도에 따른 유량을 아래의 [수학식 2]를 이용한다.
[수학식 2]
Figure 112020140495548-pat00006
전기자동차의 배터리(1) 온도를 측정하고 열매체가 [수학식 2]를 이용하여 산출된 최적유량으로 배터리(1)에 공급되도록 컨트롤러(140)를 통해 펌프(120)를 작동시킨다. 이에 도면 도 2에 도시된 그래프와 같이 히팅부(130)의 용량이 2kW일때 저온의 배터리(1) 온도를 높이기 위해 히팅부(130)에 의해 가열된 열매체를 최적유량으로 배터리(1)에 공급하여 배터리(1)가 안정적인 운전이 가능하도록 한다. 배터리(1)의 온도가 -20℃일 때 열매체는 펌프(120)의 구동으로 10Liter/min으로 공급되며, -10℃일 때 열매체는 펌프(120)의 구동으로 7Liter/min으로 공급되고, 0℃일 때 열매체는 펌프(120)의 구동으로 5Liter/min 최적유량으로 공급되어 저온의 배터리(1) 온도를 운전 가능한 온도(4℃) 까지 높일 수 있다. 배터리(1)의 온도가 상승할수록 열매체의 유량은 감소하므로 펌프(120)의 작동을 최소화하여 펌프(120)의 작동에 따른 에너지 소비를 최소화할 수 있고, 배터리는 안정적인 운전이 가능하다.
배터리(1) 승온을 위한 히팅부(130)의 용량이 4kW일때 배터리(1)의 온도에 따른 유량을 아래의 [수학식 3]을 이용한다.
[수학식 3]
Figure 112020140495548-pat00007
전기자동차의 배터리(1) 온도를 측정하고 열매체가 [수학식 3]을 이용하여 산출된 최적유량의 유량으로 배터리(1)에 공급되도록 컨트롤러(140)를 통해 펌프(120)를 작동시킨다. 이에 도면 도 3에 도시된 그래프와 같이 히팅부(130)의 용량이 4kW일때 저온의 배터리(1) 온도를 높이기 위한 히팅부(130)에 의해 가열된 열매체를 최적유량으로 배터리(1)에 공급하므로 배터리(1)는 안정적인 운전이 가능하다. 배터리(1)의 온도가 -20℃일 때 열매체는 7Liter/min으로 공급되며, -10℃, 0℃일 때 3Liter/min으로 공급되어 배터리(1)의 온도를 높일 수 있다. 배터리(1)의 온도가 상승할수록 열매체의 유량은 감소하게 된다. 이에 배터리의 온도가 상승할수록 펌프(120)의 작동을 최소화하여 펌프(120)의 작동에 따른 에너지 소비를 최소화할 수 있고, 배터리는 안정적인 운전이 가능하다.
배터리(1) 승온을 위한 히팅부(130)의 용량이 6kW일때 배터리(1)의 온도에 따른 유량을 아래의 [수학식 4]를 이용한다.
[수학식 4]
Figure 112020140495548-pat00008
전기자동차의 배터리(1) 온도를 측정하고 열매체가 [수학식 4]를 이용하여 산출된 최적유량의 유량으로 배터리(1)에 공급되도록 컨트롤러(140)를 통해 펌프(120)를 작동시킨다. 이에 도면 도 4에 도시된 그래프와 같이 히팅부(130)의 용량이 6kW일때 저온의 배터리(1) 온도를 높이기 위해 히팅부(130)에 의해 가열된 열매체를 최적유량으로 배터리(1)에 공급하여 배터리(1)의 안정적인 운전이 가능하도록 한다. 배터리(1)의 온도가 -20℃, -10℃일 때 히팅부(130)에 의해 가열된 열매체는 5Liter/min으로 배터리(1)에 공급되며, 0℃일 때 가열된 열매체는 3Liter/min으로 배터리(1)에 공급되어 배터리(1)의 온도를 높일 수 있다.
배터리(1)의 온도가 상승할수록 열매체의 유량은 감소하게 된다. 이에 배터리의 온도가 상승할수록 펌프(120)의 작동을 최소화하여 펌프(120)의 작동에 따른 에너지 소비를 최소화할 수 있고, 배터리는 안정적인 운전이 가능하다.
이에 따라 배터리(1)의 온도에 따른 최적유량을 통하여 배터리(1)의 안정적인 운전이 가능하여 전기자동차의 주행 성능이 향상된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
1: 배터리 100: 제어장치
110: 열매체 라인 120: 펌프
130: 히팅부 140: 컨트롤러

Claims (4)

  1. 폐루프 형태로 형성되어 배터리를 경유하며 열매체가 유동할 수 있는 열매체 라인,
    상기 열매체 라인에 배치되어 상기 열매체를 유동 시키는 펌프,
    상기 열매체 라인에 배치되어 상기 열매체의 온도를 높이는 히팅부 및
    상기 배터리에 배치된 센서로부터 상기 배터리의 온도를 전달받고 상기 배터리의 온도에 따라 상기 펌프의 동력을 달리하여 상기 배터리를 경유하는 상기 열매체의 유량을 달리하는 컨트롤러
    를 포함하며,
    상기 히팅부의 용량이 6kW이고, 상기 배터리의 온도가 -20℃, -10℃일 때 상기 펌프의 제어로 상기 열매체를 5Liter/min으로 상기 배터리에 공급되고, 0℃일 때 상기 펌프의 제어로 상기 열매체를 3Liter/min으로 상기 배터리에 공급하여 상기 펌프의 제어로 상기 열매체의 유량을 달리하는
    가변유량을 이용한 전기자동차용 배터리 열관리 제어장치.
  2. 제1항에서,
    상기 배터리의 온도에 따른 상기 열매체의 유량은 하기와 같은 수학식을 통해 이루어지는 가변유량을 이용한 전기자동차용 배터리 열관리 제어장치.
    [수학식]
    Figure 112022084410465-pat00017

    여기서,
    Figure 112022084410465-pat00018
    는 열매체의 최적유량이고 3, 0.3 및 0.01은 히팅부의 사양에 따른 상수이다.
  3. 제1항에서,
    상기 히팅부는 유도가열기, 인덕션 히터(induction heater), PTC히터 및 히트펌프 중 선택된 어느 하나를 포함하는 가변유량을 이용한 전기자동차용 배터리 열관리 제어장치.
  4. 삭제
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