KR102570012B1 - 전기차의 배터리 하이브리드 쿨링 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

전기차의 배터리 하이브리드 쿨링 시스템 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

전기차의 배터리 하이브리드 쿨링 시스템 및 그 제어 방법이 개시된다.
본 발명의 실시예에 따른, 전기차의 배터리 하이브리드 쿨링 시스템은, 복수의 배터리 모듈을 내부에 수납하는 케이스; 상기 케이스의 바닥에 설치된 열전달 물질부; 상기 열전달 물질부의 하부에 구성된 히트 싱크(Heat Sink) 기반의 냉각 유로를 통해 냉각수를 공급하는 수냉식 쿨링부; 및 블로워를 통해 상기 케이스의 상부의 뜨거운 기류를 흡입하고 열전달 통로를 통해 상기 열전달 물질부의 상부에 설치된 흡열판으로 배출하는 공냉식 쿨링부;를 포함한다.

Description

전기차의 배터리 하이브리드 쿨링 시스템 및 그 제어 방법{BATTERY HYBRD COOLING SYSTEM FOR ELECTRIC VEHICLE AND METHOD FOR CONTROLLING THE SAME}
본 발명은 전기차의 배터리 하이브리드 쿨링 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전기차 배터리의 수냉식 구조의 한계를 개선하기 위한 전기차의 배터리 하이브리드 쿨링 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 전기차는 모터를 움직이는 전기 에너지를 고전압배터리(이하, 배터리라 명명함)에 저장하고 주행 시 사용한다.
배터리는 전기차에서 가장 핵심이 되는 동력원으로 높은 출력 및 에너지 밀도로 인해 많은 열을 발생하며 일정 작동 온도 영역에서 최적의 성능을 발휘하는 특성상 쿨링 시스템 적용이 필수이다.
일반적으로 쿨링 시스템은 크게 직접냉각(Direct Cooling) 방식인 공냉식과 간접냉각(Indirect Cooling) 방식인 수냉식으로 구분된다. 공냉식의 경우 비교적 설치가 간단하고 직접냉각 방식 특성에 따라 고른 냉각이 가능하지만 외부 공기를 사용함에 따른 작은 열용량과 낮은 열전도율로 인하여 냉각 성능 및 효율이 떨어지는 한계가 있다.
이에 종래의 전기차 배터리 쿨링 시스템의 경우 높은 발열을 고려하여 수냉식을 적용하여 냉각하고 있다.
예컨대, 도 1은 종래의 전기차 배터리 쿨링 시스템을 개략적으로 나타낸 부분 단면도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 전기차 배터리 쿨링 시스템의 경우, 배터리(1)의 케이스(2) 하부에 냉각 유로(3)를 설치하고 냉각수(4) 통해 간접적으로 냉각시키는 방식을 이용하고 있다.
배터리(1)는 전기차의 주행거리 확보를 위하여 많은 양의 배터리 모듈(1a)을 탑재하고 있으며, 배터리 모듈(1a)의 온도 편차는 내구수명과 성능에 영향을 주므로 균일한 냉각 성능을 확보해야 한다.
하지만, 종래에 전기차 배터리(1)에 적용된 수냉식의 경우 하부 위주의 냉각으로 인하여 배터리(1)의 상부는 고온 상태이고 하부는 저온 상태인 온도 불균형이 발생되는 단점이 있다. 또한, 서미스터(Thermistor)의 위치에 따라 온도를 다르게 인식하여 과냉각 되거나 냉각이 적당하게 이루어지지 않아 배터리의 내구성을 단축시키는 문제점이 발생할 수 있다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예는 이러한 문제점을 개선하기 위하여 고전압 배터리의 하부 냉각에 집중된 수냉식 쿨링부에 상부 냉각을 보완한 공냉식 쿨링부의 구성을 추가하여 배터리의 상부와 하부를 고르게 냉각시킬 수 있는 전기차의 배터리 하이브리드 쿨링 시스템 및 그 제어 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전기차의 배터리 하이브리드 쿨링 시스템은, 복수의 배터리 모듈을 내부에 수납하는 케이스; 상기 케이스의 바닥에 설치된 열전달 물질부; 상기 열전달 물질부의 하부에 구성된 히트 싱크(Heat Sink) 기반의 냉각 유로를 통해 냉각수를 공급하는 수냉식 쿨링부; 및 블로워를 통해 상기 케이스의 상부의 뜨거운 기류를 흡입하고 열전달 통로를 통해 상기 열전달 물질부의 상부에 설치된 흡열판으로 배출하는 공냉식 쿨링부;를 포함한다.
또한, 상기 열전달 물질부는 열전도율이 증가된 비금속재료나 고분자 복합재료로 구성되며, 상부에 설치된 배터리 모듈에서 발생된 열을 하부의 상기 냉각 유로로 방출할 수 있다.
또한, 상기 공냉식 쿨링부는 상기 수냉식 쿨링부로부터 냉각수가 유입되는 상기 냉각 유로의 인렛 위치에 설치될 수 있다.
또한, 상기 공냉식 쿨링부는 상기 흡열판과 상기 인렛 위치의 냉각 유로 사이에 설치된 열전 소자를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 열전 소자는 상기 공냉식 쿨링부의 열전달 통로를 통해 상기 흡열판에 집중된 열을 흡수하고 반대측 상기 인렛 위치의 냉각 유로로 방출할 수 있다.
또한, 상기 열전달 통로는 상부와 하부에 구성되어 순환 기류를 흡입하는 제1 덕트와 상기 순환 기류를 배출하는 제2 덕트를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전기차의 배터리 하이브리드 쿨링 시스템은, 센서를 통해 배터리 온도를 측정하고 설정된 쿨링 제어 조건에 따라 상기 수냉식 쿨링부 및 공냉식 쿨링부 중 적어도 하나를 선택적으로 작동하는 제어기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어기는 상기 배터리 온도가 일정 작동 온도 영역 이상으로 상승하는 기준치 구간별 제어맵을 저장하고, 상기 배터리 온도가 상기 기준치 구간 중 어느 하나의 조건을 충족하면, 단계별로 상기 공냉식 쿨링부만 작동하거나 상기 수냉식 쿨링부만 작동하거나 상기 공냉식 쿨링부와 수냉식 쿨링부를 모두 작동하는 하이브리드 쿨링 제어를 수행할 수 있다.
또한, 상기 제어기는 센서를 통해 상기 케이스 내부의 상부 온도와 하부 온도의 온도 편차를 측정하고, 상기 온도 편차가 설정된 허용 임계치를 초과하면 상기 공냉식 쿨링부와 수냉식 쿨링부를 모두 작동하는 하이브리드 쿨링 제어를 수행할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 측면에 따른, 수냉식 쿨링부와 공냉식 쿨링부를 포함하는 전기차의 배터리 하이브리드 쿨링 제어 방법은, a) 제어기가 전기차의 주행 중 센서에서 측정된 배터리 온도를 지속적으로 모니터링 하는 단계; b) 상기 배터리 온도가 일정 작동 온도 영역 이상인 제1 기준치를 초과하여 상승하면 상기 공냉식 쿨링부만 작동하여 배터리 모듈을 냉각하는 단계; c) 상기 배터리 온도가 제1 기준치보다 높은 제2 기준치를 초과하면 상기 수냉식 쿨링부만 작동하여 상기 배터리 모듈을 냉각하는 단계; 및 d) 상기 배터리 온도가 상기 제2 기준치보다 높은 제3 기준치를 초과하면 상기 수냉식 쿨링부와 공냉식 쿨링부를 동시에 작동하도록 제어하여 상기 배터리 모듈을 냉각하는 단계;를 포함한다.
또한, 상기 b) 단계와 c) 단계 중 어느 하나에서, 상기 제어기는 상기 센서를 통해 케이스 내부의 상부 온도와 하부 온도의 온도 편차를 측정하는 단계; 및 상기 온도 편차가 설정된 허용 임계치를 초과하면 상기 공냉식 쿨링부와 수냉식 쿨링부를 모두 작동하는 하이브리드 쿨링 제어를 수행하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 일 측면에 따른, 전기차의 배터리 하이브리드 쿨링 시스템은, 복수의 배터리 모듈을 내부에 수납하는 케이스; 상기 케이스의 바닥에 설치된 열전달 물질부; 상기 열전달 물질부의 하부에 구성된 히트 싱크(Heat Sink) 기반의 냉각 유로를 통해 냉각수를 공급하는 수냉식 쿨링부; 및 외기 덕트를 통해 상기 케이스의 내측 상부로 외기를 유입 시키고 블로워를 통해 상기 상부에 형성된 뜨거운 공기를 흡입하여 상기 케이스의 외부로 배출하는 공냉식 쿨링부를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 배터리 케이스의 하부를 냉각하는 수냉식 쿨링부와 상부의 냉각을 보완하는 공냉식 쿨링부를 구비하여 하이브리드 쿨링 제어를 수행함으로써 배터리 모듈의 상부와 하부의 온도 불균형을 최소화 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 배터리 온도에 따라 수냉식 쿨링부와 공냉식 쿨링부 중 적어도 하나를 선택적으로 작동함으로써 배터리의 쿨링 제어를 최적화하고 소모 전력을 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 배터리 모듈의 상하부 온도를 항시 최적의 작동 온도 영역으로 유지하여 배터리의 최적 성능과 노후 수명을 연장할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 종래의 전기차 배터리 쿨링 시스템을 개략적으로 나타낸 부분 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전기차의 배터리 하이브리드 쿨링 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸다.
도 3과 도 4는 본발명의 실시예에 따른 공냉식 쿨링부를 통해 형성되는 케이스 내부의 순환 기류를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 열전 소자가 추가된 하이브리드 쿨링 시스템을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전기차 배터리의 하이브리드 쿨링 제어 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
명세서 전체에서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다.
명세서 전체에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결된다'거나 '접속된다'고 언급되는 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결된다'거나 '직접 접속된다'고 언급되는 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 아니하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
명세서 전체에서, 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
명세서 전체에서, '포함한다', '가진다' 등과 관련된 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 포함한다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이제 본 발명의 실시예에 따른 전기차의 배터리 하이브리드 쿨링 시스템 및 그 제어 방법에 대하여 도면을 참조로 하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전기차의 배터리 하이브리드 쿨링 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸다.
도 3과 도 4는 본발명의 실시예에 따른 공냉식 쿨링부를 통해 형성되는 케이스 내부의 순환 기류를 나타낸다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전기차의 배터리 하이브리드 쿨링 시스템(100)은 복수의 배터리 모듈(110), 케이스(120), 열전달 물질부(121), 수냉식 쿨링부(130), 및 공냉식 쿨링부(140)를 포함한다.
복수의 배터리 모듈(110)은 전기차 배터리를 이루는 단위 구성이며, 복수의 배터리 셀을 적층 하여 모듈 단위로 패키징 한 것이므로 복수의 배터리 셀과 동일한 의미를 가지며, 이하, 설명의 편의상 배터리 모듈이라 칭하도록 한다.
케이스(120)는 복수의 배터리 모듈(110)을 내부에 수납하여 외부환경으로부터 보호한다,
열전달 물질부(121)는 상기 케이스(120)의 바닥에 설치된다.
수냉식 쿨링부(130)는 상기 열전달 물질부(121)의 하부에 구성된 냉각 유로(131)을 통해 냉각수(132)를 공급한다.
공냉식 쿨링부(140)는 블로워(141)를 통해 상기 케이스(120)의 상부에 형성된 뜨거운 기류를 흡입하고 열전달 통로(142)를 통해 상기 열전달 물질부(121)의 상부에 설치된 흡열판(150)으로 배출한다.
여기에, 전기차의 배터리 하이브리드 쿨링 시스템(100)은 센서를 통해 배터리 온도를 측정하고 설정된 쿨링 제어 조건에 따라 상기 수냉식 쿨링부(130) 및 공냉식 쿨링부(140) 중 적어도 하나를 선택적으로 작동하는 제어기(160)를 더 포함할 수 있다.
열전달 물질부(121)는 열전도율이 증가된 비금속재료나 고분자 복합재료로 구성되며, 상부에 설치된 배터리 모듈(110)에서 발생된 열을 하부의 냉각 유로(131)로 방출하는 역할을 한다.
수냉식 쿨링부(130)는 히트 싱크(Heat Sink) 기반의 냉각 유로(131)와 냉각수(132)를 통하여 배터리 케이스(120)의 하부를 냉각시키는 수냉식 냉각 구조를 갖는다.
또한 해당 방법으로 냉각시킨 열을 공냉식 쿨링부(140)를 통해 배터리 케이스 내부에 열을 순환하게 함으로써 모듈(셀) 상부의 높은 온도를 낮춰주는 역할을 한다.
이러한 구조를 통하여 상/하부를 골고루 냉각하면서 냉각 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 쿨링 시스템(100)은 추가적으로 케이스(120) 내부의 상/하부 온도차로 인한 배터리 모듈(110)의 상/하부의 온도 불균형 문제를 해소하기 위하여 수냉식 쿨링부(130)와의 협력제어를 통해 케이스(120)의 내부의 배터리 모듈(110)을 고르게 냉각시킬 수 있는 공냉식 쿨링부(140)를 추가한 것을 특징으로 한다.
여기서, 공냉식 쿨링부(140)는 단순이 외기를 흡입하여 케이스(120) 내부를 추가 냉각하기 위한 것이 아닌, 케이스(120)의 내부에 순환 기류를 형성하는 구성요소들을 통해 수냉식 쿨링부(130)의 효율적인 쿨링 방식을 적극적으로 활용한 공냉식 기능을 강화하기 위한 것이다.
공냉식 쿨링부(140)의 열전달 통로(142)는 상부와 하부에 구성되어 순환 기류를 흡입하는 제1 덕트(143-1)와 순환 기류를 배출하는 제2 덕트(143-2)를 포함한다.
공냉식 쿨링부(140)는 블로워(141)의 작동 시 제1 덕트(143-1)를 통해 케이스(120) 상부(상층부)의 뜨거운 기류를 흡입하여 케이스(120)의 하부(하층부)의 차가운 공기를 상승시키는 물리적 대류현상을 유발한다. 여기서, 상기 물리적 대류현상은 일반적으로 따뜻한 공기가 상승하고 차가운 공기가 하강하는 대류현상과는 달리, 공냉식 쿨링부(140)를 통해 물리적으로 케이스(120) 내부에 순환기류를 형성하여 상부의 뜨거운 공기는 하부로 전달하고 하부에서 수냉식 쿨링부(130)를 통해 차가워진 공기가 상승하도록 하는 일종의 대류현상과 같은 효과를 구현한 것을 의미한다.
이러한, 공냉식 쿨링부(140)를 통해 형성된 순환기류와 물리적 대류현상을 통해 케이스(120)의 상/하부를 고르게 냉각함으로써 배터리 모듈(110)의 상부와 하부의 온도 편차를 줄이고 균일하게 냉각할 수 있다.
공냉식 쿨링부(140)는 수냉식 쿨링부(130)로부터 냉각수(132)가 유입되는 냉각 유로(131)의 인렛 위치에 설치된다.
이는 냉각 유로(131)의 인렛 위치로부터 냉각수(132)가 열교환을 시작하기 때문에 냉각 효율이 가장 높고 냉각 유로(131)를 흐를수록 열교환량이 많아져 효율이 떨어지기 때문이다. 따라서, 냉각 효율이 최적인 냉각 유로(131)의 인렛 위치에 우선적으로 뜨거운 공기가 흐르도록 하여 더 효율적인 냉각을 가능하게 한다.
한편, 도 5는 본 발명의 실시예에 따라 열전 소자가 추가된 하이브리드 쿨링 시스템을 나타낸다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른, 공냉식 쿨링부(140)는 흡열판(150)과 상기 인렛 위치의 냉각 유로(131) 사이에 설치된 열전 소자(170)를 더 포함할 수 있다.
열전 소자(170)는 펠티어 효과(Peltier Effect)에 의한 일측면에서 열을 흡수하고 타측면으로 방출하는 반도체 소자로 구성된다.
열전 소자(170)는 공냉식 쿨링부(140)의 열전달 통로(142)를 통해 상기 흡열판(150)에 집중된 열을 흡수하고 반대측 상기 인렛 위치의 냉각 유로(131)로 방출한다.
따라서, 공냉식 쿨링부(140)의 순환기류를 통해 뜨거운 열을 열전달 통로(142)를 통해 상기 흡열판(150)에 최대한 집중하고, 냉각 효율이 가장 좋은 인렛 위치의 냉각 유로(131)에서 최대한 냉각되도록 한다.
이상의 설명에서는 하이브리드 쿨링 시스템(100)의 공냉식 쿨링부(140)가 수냉식 쿨링부(130)의 냉각성능을 활용하는 것을 위주로 설명하였으나 하이브리드 쿨링 방식은 수냉식 쿨링부(130) 측에서도 이점이 있다.
가령, 수냉식 쿨링부(130)의 측면에서도 배터리 모듈(110)로부터 전달되는 열 뿐만 아니라 순환 기류를 통해 케이스(120) 상부의 뜨거운 공기와 열 교환을 할 수 있어 과도한 하부 위주의 냉각으로 인한 배터리 성능 및 수명 저하를 예방할 수 있다.
제어기(160)는 본 발명의 실시예에 따른 전기차의 배터리 하이브리드 쿨링 시스템(100)의 전반적인 동작을 제어하며, 이에 필요한 적어도 하나의 프로그램과 데이터를 저장한다.
예컨대, 제어기(160)는 배터리 하이브리드 쿨링 제어를 위해 구비된 컴퓨팅 장치일 수 있으며, 이에 한정되지 않고 전기차 배터리를 중앙에서 관리 하는 배터리 제어기(Battery Management System, BMS)로 구성될 수 있다.
제어기(160)는 하이브리드 쿨링 제어 알고리즘을 저장하고 배터리의 온도에 따라 공냉식 쿨링부(140)와 수냉식 쿨링부(130) 중 적어도 하나를 선택적으로 제어한다.
제어기(160)는 배터리 온도가 일정 작동 온도 영역 이상으로 상승하는 기준치 구간별 제어맵을 저장하고(예; 제1 기준치 < 제2 기준치 < 제3 기준치), 상기 배터리 온도가 상기 기준치 구간 중 어느 하나의 조건을 충족하면, 단계별로 공냉식 쿨링부(140)만 작동하거나 수냉식 쿨링부(130)만 작동하거나 상기 공냉식 쿨링부(140)와 수냉식 쿨링부(130)를 모두 작동하는 하이브리드 쿨링 제어를 수행한다.
또한, 제어기(160)는 센서를 통해 케이스(120) 내부의 상부 온도와 하부 온도의 온도 편차를 측정하고, 상기 온도 편차가 설정된 허용 임계치를 초과하면 상기 공냉식 쿨링부(140)와 수냉식 쿨링부(130)를 모두 작동하는 하이브리드 쿨링 제어를 수행한다.
이러한 목적을 위하여 제어기(160)는 설정된 프로그램에 의하여 동작하는 하나 이상의 프로세서로 구현될 수 있으며, 상기 설정된 프로그램은 본 발명의 실시예에 따른 전기차 배터리의 하이브리드 쿨링 제어 방법의 각 단계를 수행하도록 프로그래밍 된 것일 수 있다.
이러한 전기차 배터리의 하이브리드 쿨링 제어 방법은 아래의 도면을 참조하여 더욱 구체적으로 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전기차 배터리의 하이브리드 쿨링 제어 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 전기차의 배터리 하이브리드 쿨링 시스템(100)의 제어기(160)는 전기차의 스타트(START)로 주행을 시작하면 센서에서 측정된 배터리 온도를 지속적으로 모니터링한다(S1).
이 때, 제어기(160)는 배터리가 일정 작동 온도 영역을 이상으로 상승하는 기준치 구간별 제어맵을 저장하고 있으며(예; 제1 기준치 < 제2 기준치 < 제3 기준치), 상기 배터리 온도가 상기 기준치 구간 중 어느 하나의 조건을 충족하는지 지속적으로 모니터링 할 수 있다.
제어기(160)는 상기 배터리 온도가 일정 작동 온도 영역 이상인 제1 기준치를 초과하면(S2; 예), 공냉식 쿨링부(140)를 작동하고 수냉식 쿨링부(130)는 미작동하여 배터리 모듈(110)을 냉각한다(S3).
제어기(160)는 상기 배터리 온도가 상기 제1 기준치보다 높은 제2 기준치를 초과하면(S4; 예), 수냉식 쿨링부(130)를 작동하고 공냉식 쿨링부(140)를 미작동하여 배터리 모듈(110)을 냉각한다(S5).
제어기(160)는 상기 배터리 온도가 상기 제2 기준치보다 높은 제3 기준치를 초과하면(S6; 예), 수냉식 쿨링부(130)와 공냉식 쿨링부(140)가 동시에 작동하도록 하는 하이브리드 쿨링 제어로 배터리 모듈(110)을 냉각한다(S7).
반면, 제어기(160)는 상기 S2 단계, S4 단계 및 S6 단계에서 각각 해당 조건을 충족하지 않으면(아니오), 직전 단계를 유지하고 리턴 하여 배터리 온도를 지속적으로 모니터링한다.
이후, 도면에서는 생략되었으나, 제어기(160)는 상기 공냉식 쿨링부(140)와 수냉식 쿨링부(130) 중 어느 하나만 작동하고 있는 상태에서, 복수의 센서를 통해 상기 케이스 내부의 상부 온도와 하부 온도의 온도 편차를 측정하는 단계, 및 상기 온도 편차가 설정된 허용 임계치를 초과하면 상기 공냉식 쿨링부(140)와 수냉식 쿨링부(130)를 모두 작동하는 하이브리드 쿨링 제어를 수행하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 배터리 케이스의 하부를 냉각하는 수냉식 쿨링부와 상부의 냉각을 보완하는 공냉식 쿨링부를 구비하여 하이브리드 쿨링 제어를 수행함으로써 배터리 모듈의 상부와 하부의 온도 불균형을 최소화 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 배터리 온도에 따라 수냉식 쿨링부와 공냉식 쿨링부 중 적어도 하나를 선택적으로 작동함으로써 배터리의 쿨링 제어를 최적화하고 소모 전력을 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 배터리 모듈의 상하부 온도를 항시 최적의 작동 온도 영역으로 유지하여 배터리의 최적 성능과 노후 수명을 연장할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에만 한정되는 것은 아니며 그 외의 다양한 변경이 가능하다.
예컨대, 전술한 본 발명의 실시예에서는 공냉식 쿨링부(140)가 케이스(120) 내부에 순환 기류를 형성하는 것을 위주로 설명하였으나, 이에 한정되지 않고 외기를 활용하여 냉각하는 방식으로 구성할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기차의 배터리 하이브리드 쿨링 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기차의 배터리 하이브리드 쿨링 시스템(100)은 복수의 배터리 모듈(110), 케이스(120), 열전달 물질부(121), 수냉식 쿨링부(130), 및 공냉식 쿨링부(180)를 포함한다.
복수의 배터리 모듈(110)은 전기차 배터리를 이루는 단위 구성이다.
케이스(120)는 복수의 배터리 모듈(110)을 내부에 수납하여 외부환경으로부터 보호한다,
열전달 물질부(121)는 상기 케이스(120)의 바닥에 설치된다.
수냉식 쿨링부(130)는 상기 열전달 물질부(121)의 하부에 구성된 냉각 유로(131)을 통해 냉각수(132)를 공급한다.
공냉식 쿨링부(180)는 외기 덕트(181)를 통해 케이스(120)의 내측 상부로 외기를 유입 시키고 블로워(182)를 통해 상기 상부의 뜨거운 공기를 흡입하여 케이스(120)의 외부로 배출하는 것을 특징으로 한다.
이밖에, 도면에서는 생략되었으나 앞선 실시예와 같은, 제어기(160)를 더 포함하여 배터리 온도와 쿨링 제어 조건에 따라 상기 수냉식 쿨링부(130) 및 공냉식 쿨링부(180) 중 적어도 하나를 선택적으로 제어할 수 있다.
이러한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도1의 실시예 보다 간단한 구성과 저비용으로 하이브리드 쿨링 시스템을 구현할 수 있는 이점이 있으며, 계절적으로 추운 지역에 판매되는 전기차의 경우 공냉식 냉각 매체로 외기를 적극 활용함으로써 그 냉각성능을 최적화 할 수 있는 이점이 있다.
이러한 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기차의 배터리 하이브리드 쿨링 시스템(100)은 전술한 실시예와 유사하므로 앞서 설명된 내용을 바탕으로 당업자가 충분히 구현 가능한 것으로 이해될 수 있다.
본 발명의 실시예는 이상에서 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 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.
100: 하이브리드 쿨링 시스템
110: 배터리 모듈
120: 케이스
121: 열전달 물질부
130: 수냉식 쿨링부
131: 냉각 유로
132: 냉각수
140: 공냉식 쿨링부
141: 블로워
142: 열전달 통로
143-1/143-2: 제1 덕트/제2 덕트
150: 흡열판
160: 제어기
170: 열전 소자

Claims (12)

  1. 복수의 배터리 모듈을 내부에 수납하는 케이스;
    상기 케이스의 바닥에 설치된 열전달 물질부;
    상기 열전달 물질부의 하부에 구성된 히트 싱크(Heat Sink) 기반의 냉각 유로를 통해 냉각수를 공급하는 수냉식 쿨링부; 및
    블로워를 통해 상기 케이스의 상부의 뜨거운 기류를 흡입하고 열전달 통로를 통해 상기 열전달 물질부의 상부에 설치된 흡열판으로 배출하는 공냉식 쿨링부;를 포함하며,
    상기 공냉식 쿨링부는 상기 수냉식 쿨링부로부터 냉각수가 유입되는 상기 냉각 유로의 인렛 위치에 설치되고, 상기 흡열판과 상기 인렛 위치의 냉각 유로 사이에 설치된 열전 소자를 포함하되,
    상기 열전 소자는 상기 공냉식 쿨링부의 열전달 통로를 통해 상기 흡열판에 집중된 열을 흡수하고 반대측 상기 인렛 위치의 냉각 유로로 방출하는 것을 특징으로 하는 전기차의 배터리 하이브리드 쿨링 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열전달 물질부는
    열전도율이 증가된 비금속재료나 고분자 복합재료로 구성되며, 상부에 설치된 배터리 모듈에서 발생된 열을 하부의 상기 냉각 유로로 방출하는 전기차의 배터리 하이브리드 쿨링 시스템.
  3. 삭제
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  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 열전달 통로는
    상부와 하부에 구성되어 순환 기류를 흡입하는 제1 덕트와 상기 순환 기류를 배출하는 제2 덕트를 포함하는 전기차의 배터리 하이브리드 쿨링 시스템.
  7. 제1항 또는 제6항에 있어서,
    센서를 통해 배터리 온도를 측정하고 설정된 쿨링 제어 조건에 따라 상기 수냉식 쿨링부 및 공냉식 쿨링부 중 적어도 하나를 선택적으로 작동하는 제어기를 더 포함하는 전기차의 배터리 하이브리드 쿨링 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어기는
    상기 배터리 온도가 일정 작동 온도 영역 이상으로 상승하는 기준치 구간별 제어맵을 저장하고, 상기 배터리 온도가 상기 기준치 구간 중 어느 하나의 조건을 충족하면, 단계별로 상기 공냉식 쿨링부만 작동하거나 상기 수냉식 쿨링부만 작동하거나 상기 공냉식 쿨링부와 수냉식 쿨링부를 모두 작동하는 하이브리드 쿨링 제어를 수행하는 전기차의 배터리 하이브리드 쿨링 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제어기는
    센서를 통해 상기 케이스의 내부에서의 상부 온도와 하부 온도의 온도 편차를 측정하고, 상기 온도 편차가 설정된 허용 임계치를 초과하면 상기 공냉식 쿨링부와 수냉식 쿨링부를 모두 작동하는 하이브리드 쿨링 제어를 수행하는 전기차의 배터리 하이브리드 쿨링 시스템.

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