KR20040045937A - 전기 및 하이브리드 자동차용 ｎｉ-ｍｈ 전지의 열관리장치 및 방법 - Google Patents

전기 및 하이브리드 자동차용 ｎｉ-ｍｈ 전지의 열관리장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기 및 하이브리드 자동차용 Ni-MH 전지의 열관리 장치 및 방법에 관한 것으로서, 각 전지모듈에 열전소자 및 온도센서를 부착하여, 각 전지모듈의 온도에 따라 열전소자를 전기적으로 제어함으로써, 전지의 충전 및 방전시 발생되는 온도의 상승을 억제하면서 전지모듈간의 온도 편차를 크게 줄여 전지의 내구성 및 충전효율을 향상시킬 수 있고, 또한 전지온도 제어로 급속 충전이 용이하게 이루어지도록 한 전기 및 하이브리드 자동차용 Ni-MH 전지의 열관리 장치 및 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

전기 및 하이브리드 자동차용 ＮＩ-ＭＨ 전지의 열관리 장치 및 방법{The development of cooling device and method for Ni-MH battery of EV and HEV using thermoelectric materials}
본 발명은 전기 및 하이브리드 자동차용 Ni-MH 전지의 열관리 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열전소자(열전반도체)를 이용하여 전기자동차(EV:Electric Vehicle) 또는 하이브리드 자동차(HEV:Hybrid Electric Vehicle)용 Ni-MH 전지의 각 전지 모듈별 온도 제어를 수행할 수 있도록 한 전기 및 하이브리드 자동차용 Ni-MH 전지의 열관리 장치 및 방법에 관한 것이다.
통상적으로 전기 및 하이브리드 자동차에는 Ni-MH전지를 사용하고 있지만, 이러한 전기 및 하이브리드 자동차용 Ni-MH 전지는 충전 및 방전시 발생되는 열로 인하여 전지 모듈간의 온도편차를 발생시키는 단점이 있는 바, 온도편차를 감소시키기 위하여 많은 연구자들이 전지 냉각을 위한 안출에 주력하고 있는 실정에 있다.
최근에는 SAFT(프랑스 전지업체)에서는 워터 재킷을 전지 모듈별로 부착하여, 전지 열관리시스템으로 이용하고 있다.
또한, 충전 및 방전시 전지의 온도 상승에 따른 전지의 성능 저하 관계에 대한 연구가 진행됨에 따라 전지의 절대적 온도 상승보다는 전지모듈별 온도편차가 더 중요하다는 것을 알게 되었다.
이에, 전지자동차의 충전시간을 단축시키기 위해서는 큰 전류로 짧은 시간동안에 충전해야 하는데, 전지자동차의 문제점중 하나인 급속 충전을 해결하기 위해서는 전지의 열관리 시스템 개발은 필수적인 사안이라 하겠다.
기존의 열관리 시스템은 도 3도시한 바와 같이, 공기 강제냉각 방식을 채택하고 있는 바, 전지 트레이(10)에 저장된 전체 26 내지 28개의 전지 모듈중 대표적인 3곳 정도에 온도센서를 부착하여 일정 온도 이상이면 무조건 냉각팬(20)을 작동시켜 공기유입구(30)로부터 외기를 유입시키면서 온도의 상승을 억제하고 있다.
이러한 방식은 외부공기의 온도 정도에 따라 전지의 냉각정도가 결정되는 것이고, 냉각 팬이 뒤쪽에 위치하여 전지의 위치에 따라 온도 편차가 발생되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 발명한 것으로서, 전지의 충전 및 방전시 발생되는 온도의 상승을 억제하면서 전지모듈간의 온도 편차를 크게 줄여 전지의 내구성 및 충전효율을 향상시킬 수 있고, 또한 전지온도 제어로 급속 충전이 용이하게 이루어지도록 한 전기 및 하이브리드 자동차용 Ni-MH 전지의열관리 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 냉각팬과 공기유입구를 갖는 전지트레이를 포함하는 전기 및 하이브리드 자동차용 Ni-MH 전지의 열관리 장치에 있어서, 전지 트레이에 저장되는 각 전지모듈의 양면에 부착되는 열전소자와; 상기 각 전지모듈에 부착되는 온도센서와; 상기 전지 모듈별 온도를 감지하여 제어하는 BMS와; 상기 열전소자와 전기공급 및 차단 제어를 위해 연결되고, 동시에 상기 BMS와 신호교환가능하게 연결된 파워 컨트롤 유니트로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기 및 하이브리드 자동차용 Ni-MH 전지의 열관리 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 냉각팬과 공기유입구에 의한 냉각단계를 포함하는 전기 및 하이브리드 자동차용 Ni-MH 전지의 열관리 방법에 있어서, 전지의 충전 및 방전시, 각 모듈별 전지의 실시간 온도를 온도센서에 감지하는 단계와; 다수의 모듈중 어느 하나의 전지모듈의 온도가 다른 전지모듈에 비하여 높다는 감지신호를 온도센서로부터 전달받은 BMS에서 파워 컨트롤 유니트에 그 신호를 보내는 단계와; 상기 파워 컨트롤 유니트에서 충전전기의 일부를 온도가 높은 것으로 감지된 전지모듈에 부착되어 있는 열전소자에 보내는 단계와; 상기 열전소자에서 온도가 높은 것으로 감지된 전지모듈의 주위온도를 흡수하여 냉각시켜주는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기 및 하이브리드 자동차용 Ni-MH 전지의 열관리 방법을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 전기 및 하이브리드 자동차용 Ni-MH 전지의 열관리 장치로서, 열전소자 및 온도센서가 부착된 상태를 나타내는 개략도,
도 2는 본 발명에 따른 전기 및 하이브리드 자동차용 Ni-MH 전지의 열관리 장치로서, 전지 모듈별 열전소자 및 온도센서, 그리고 이를 자동으로 조정해주는 BMS(Battery Management System)등이 포함된 상태를 나타내는 개략도,
도 3은 기존의 EV용 Ni-MH 전지의 트레이(Tray)를 윗쪽에서 본 모습을 나타낸 개략도,
도 4는 본 발명에 따른 열관리시스템을 적용한 경우, 전지 충진시 전지온도 상승과 전지모듈간의 온도편차를 나타내는 그래프,
도 5는 기존의 열관리 시스템을 적용한 경우, 전지 충진시 전지온도 상승과 전지모듈간의 온도편차를 나타내는 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 전지 트레이20 : 냉각팬
30 : 공기유입구40 : 온도센서
50 : 열전소자60 : BMS
70 : 파워 컨트롤 유니트100 : 전지 모듈
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거하여 설명하면 다음과같다.
본 발명은 열전소자(열전반도체)를 전기자동차 또는 하이브리드 자동차용 Ni-MH 전지의 열관리에 이용하여, 전지의 충전 및 방전시 발생되는 온도 상승에 의한 각전지모듈간의 온도 편차를 크게 줄여 전지의 내구성 및 충전효율을 향상시키고, 또한 전지의 급속 충전이 용이하게 이루어지게 하는데 그 특징이 있다.전기 및 하이브리드 자동차용 Ni-MH 전지의 열관리 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이를 위한 본 발명의 열관리 장치에 대한 주된 구성은 냉각팬(20)과 공기유입구(30)를 갖는 전지트레이(10)에 설치되는데, 이 전지트레이(10)에는 다수의 전지모듈(100)(27개)이 적층되어 배치된 상태이다.
여기서, 상기 전지 트레이(10)에 저장된 각 전지모듈(100)의 양면에 열전소자(50)를 부착하는 바, 열전소자(50)는 2mm×2mm 크기에 두께 2mm를 갖는 샘플을 직,병렬로 연결하여 얇은 알루미늄 판재로 박스 형태가 되도록 제작된 것이다.
또한, 상기 각 전지모듈(100)에는 전지 모듈별 온도를 감지할 수 있는 온도센서가 부착되어지고, 이 온도센서(40)는 BMS(60)(Battery Management System)와 연결되어진다.
이러한 열전소자(50) 및 온도센서(40)가 부착된 전지모듈(100) 27개를 적층하여, 전지 트레이(10)의 내부를 밀폐시키게 된다.
이때, 상기 BMS(60)는 파워 컨트롤 유니트(70)에 연결되는 바, 이 파워컨트롤 유니트(70)는 상기 열전소자(50)와도 전기공급 및 차단 제어를 위해 연결되어진다.
이와 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 장치의 작동 상태 즉, 열관리 방법을 순서대로 설명하면 다음과 같다.
전지 트레이(10)의 메인 플러스 단자를 배터리 사이클러에 연결하여 충전을 진행하게 되는 바, 충전시 발생하는 전지 모듈의 온도 상승을 방지하기 위하여 냉각팬(20)을 구동시켜 공기유입구(30)로부터 공기를 전지 트레이(10)의 내부로 흡입하여 각 전지모듈(100)을 냉각시키게 된다.
이때, 전지의 충전 및 방전시, 각 모듈별 전지의 실시간 온도를 온도센서(40)에 감지하게 되는데, 다수의 전지모듈(100)중 어느 하나의 전지모듈(100)의 온도가 다른 전지모듈(100)에 비하여 높다는 것으로 감지(해당 전지모듈의 온도가 다른 전지모듈에 비하여 5도 이상)하게 되면, 그 감지신호를 BMS(60)로 보내게 된다.
동시에BMS(60)는 파워 컨트롤 유니트(70)에 온도센서(40)의 감지 신호를 보내게 된다.
이어서, 상기 파워 컨트롤 유니트(70)에서 충전전기의 일부를 온도가 높은 것으로 감지된 전지모듈(100)에 부착되어 있는 열전소자(50)에 보내게 되는데, 이 열전소자(50)에 전압(12V 내지 400V)를 가하면 열전소자(50)는 주위의 온도를 흡수하여 냉각을 시켜주게 된다.
상기 열전소자(50)의 냉각 동작에 의하여 각 전지모듈(100)의 온도가 정상 온도(해당 전지모듈의 온도가 다른 것에 비하여 2도 이하로 차이)가 되면, 이를 상기 온도센서(40)에서 감지하여, 상기 파워 컨트롤 유니트(100)는 열전소자(50)로 전기를 흘려보내지 않게 된다.
이러한 방법으로 전지 모듈의 열관리를 실시함에 따라, 도 5에 나타낸 바와 같이 기존에는 전지모듈간의 온도편차가 13∼14℃ 이상 차이가 났으나, 본 발명의 경우에는 도 4에 나타낸 바와 같이 3∼4℃의 편차만이 발생하였고, 그에따라 충전 및 방전 효율을 향상시킬 수 있고, 또한 전지의 내구성을 크게 향상시킬 수 있게 되었다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 전기 및 하이브리드 자동차용 Ni-MH 전지의 열관리 장치 및 방법에 의하면, 열전소자를 각 전지모듈에 부착하여 전기적인 제어를 실시함에 따라, 전지의 충전 및 방전시 발생되는 온도의 상승을 억제하면서 전지모듈간의 온도 편차를 크게 줄여 전지의 내구성 및 충전효율을 향상시킬 수 있고, 또한 전지 온도 제어로 급속 충전이 용이하게 이루어지는 장점이 있다.

Claims (2)

  1. 냉각팬과 공기유입구를 갖는 전지트레이를 포함하는 전기 및 하이브리드 자동차용 Ni-MH 전지의 열관리 장치에 있어서,
    전지 트레이(10)에 저장되는 각 전지모듈(100)의 양면에 부착되는 열전소자(50)와;
    상기 각 전지모듈(100)에 부착되어 실시간으로 온도를 감지하는 온도센서(40)와;
    상기 전지 모듈별 온도를 감지하여 제어하는 BMS(60)와;
    상기 열전소자(50)와 전기공급 및 차단 제어를 위해 연결되고, 동시에 상기 BMS(60)와 신호 교환 가능하게 연결된 파워 컨트롤 유니트(70)로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기 및 하이브리드 자동차용 Ni-MH 전지의 열관리 장치.
  2. 냉각팬과 공기유입구에 의한 냉각단계를 포함하는 전기 및 하이브리드 자동차용 Ni-MH 전지의 열관리 방법에 있어서,
    전지의 충전 및 방전시, 각 모듈별 전지의 실시간 온도를 온도센서(40)에 감지하는 단계와;
    다수의 전지모듈(100)중 어느 하나의 전지모듈(100)의 온도가 다른 전지모듈(100)에 비하여 높다는 감지신호를 온도센서(40)로부터 전달 받은 BMS(60)에서 파워 컨트롤 유니트(70)에 그 신호를 보내는 단계와;
    상기 파워 컨트롤 유니트(70)에서 충전전기의 일부를 온도가 높은 것으로 감지된 전지모듈(100)에 부착되어 있는 열전소자(50)에 보내는 단계와;
    상기 열전소자(50)에서 온도가 높은 것으로 감지된 전지모듈(100)의 주위온도를 흡수하여 냉각시켜주는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기 및 하이브리드 자동차용 Ni-MH 전지의 열관리 방법.
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