KR20050005697A - 전기자동차 충전시 배터리팩 온도 편차 감소를 위한냉각팬 제어장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

전기자동차 충전시 배터리팩 온도 편차 감소를 위한 냉각팬 제어장치 및 그 방법이 개시된다. 개시된 전기자동차 충전시 배터리팩 온도 편차 감소를 위한 냉각팬 제어장치는, 전기자동차의 냉각을 위해 상기 전기자동차에 설치된 냉각팬과; 상기 냉각팬을 구동하기 위해 상기 냉각팬에 연결 설치된 모터와; 상기 모터와 연결되어 상기 모터의 구동을 단속하는 스위치와; 상기 스위치와 연결되어 상기 스위치를 온/오프시키는 3단 릴레이와; 상기 전기자동차의 충전시에 바람의 방향이 상기 전기자동차의 바깥쪽으로 나가도록 상기 냉각팬의 회전 방향을 제어하기 위해 상기 3단 릴레이를 제어하는 CEU;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 배터리 모듈의 온도 편차 감소에 따른 배터리의 균일한 열관리에 의해 배터리 모듈의 용량이 균일하게 되어 결국 배터리팩의 수명이 증가되고, 궁극적으로 차량의 성능 향상 및 신뢰성이 증가되는 이점이 있다.

Description

전기자동차 충전시 배터리팩 온도 편차 감소를 위한 냉각팬 제어장치 및 그 방법{APPARATUS FOR CONTROLLING A COOLING FAN TO DECREASE TEMPERATURE VARIATION FOR BATTERY PACK IN ELECTRIC VEHICLE UNDER CHARGING AND METHOD FOR THE SAME}

본 발명은 전기자동차 충전시 배터리팩 온도 편차 감소를 위한 냉각팬 제어장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 충전시 배터리팩(battery pack) 내부의 온도 편차를 감소시키기 위해 냉각팬의 회전방향을 제어하기 위한 전기자동차 충전시 배터리팩 온도 편차 감소를 위한 냉각팬 제어장치 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로 전기자동차의 충전은, 차량의 시동이 오프(off)인 상태에서 단상 교류 220V의 전원을 충전기의 충전포트(charge port)에 공급하면 전기자동차 내부에 있는 충전기는 입력 전원을 감지하여 차량을 충전모드(charging mode)로 웨이크업(wake up)하여 차량의 구동 배터리를 312V/13A의 에너지로 충전한다.

그리고 전기자동차의 충전시 가장 중요하게 고려되는 것은 구동 배터리의 수명 보호(연장) 및 배터리 모듈별 균일한 용량으로 충전시키는 것이다.

그러나 구동 배터리의 충전시 충전되는 충전 전류(I)와 배터리 모듈의 내부 저항(R)에 비례하는 I²R의 열이 발생된다. 이렇게 발생된 열은 배터리의 열화 현상을 촉진시켜 배터리의 유효 수명을 감소시키게 된다.

또한 구동 배터리는 배터리 트레이(tray) 내부에 직렬로 연결된 26개의 배터리 모듈의 조합으로 이루어졌으므로, 만일 차량 충전시 한 개의 배터리 모듈이 다른 배터리 모듈과의 온도 편차가 발생하면 온도 편차가 발생한 배터리 모듈은 내부 저항의 변동으로 충전시 다른 배터리 모듈보다 덜 충전된다.

그리고 방전시에는 다른 모듈에 비해 심방전 되므로 온도 편차가 발생한 배터리 모듈의 수명은 다른 배터리 모듈보다 빠른 열화로 인한 수명 감소가 되어 결국에는 직렬로 연결된 배터리 모듈 전체를 사용하지 못하게 된다. 그러므로 상기한 배터리 모듈의 균일한 열 관리가 구동용 배터리의 수명 보호(연장)에 매우 중요하다.

전술한 바와 같이 전기자동차에 장착된 차량용 충전기를 이용하여 312V/13A의 높은 에너지로 구동용 배터리를 충전시 상기한 충전기는 충전이 진행됨에 따라 높은 열을 발생하게 된다. 이렇게 충전기에서 발생한 열을 식히기 위해서 수냉식 냉각을 사용하여 차량 내부에 있는 냉각수 펌프, 라디에이터, 냉각팬 모터를 구동하여 충전기를 냉각시키고 있다.

그러나 전기자동차에 수냉식 냉각이 적용된 주된 이유는, 충전시 충전기의 냉각보다는 차량 주행시 구동 모터 및 인버터에서 발생한 열을 냉각시키는 것이 주목적이므로 냉각팬의 회전 방향은 주행시의 관점인 차량 쪽으로 바람이 들어오도록 설계되어 있다.

그러므로 차량 충전시에도 냉각팬의 회전 방향은 주행 방향과 동일한 방향으로 회전하므로 라디에이터로 거치면서 발생한 고온의 열로 인하여 배터리 모듈의균일한 열 관리가 어렵게 된다.

그리고 상기한 바와 같이 주행시에 차량의 냉각을 위해 냉각팬의 회전 방향을 차량 쪽으로 설계하여 주행시 차량으로 들어오는 맞바람 효과와 차가운 외부 공기가 차량으로 들어오도록 냉각팬의 회전 방향을 설계하여 차량 주행시 고온이 되는 구동 모터 및 인버터를 급속히 냉각시키고 있다.

그러나 전기자동차의 경우 일반 차량과는 달리 차량이 주행하기 위해서는 배터리 충전이라는 것을 거쳐야 된다. 현재 전기자동차가 만(full) 충전되는데 걸리는 시간은 8시간 정도이며 이렇게 오랜 충전 동안 구동 배터리 모듈간의 온도 편차를 발생하게 된다.

한편, 전기자동차의 구동 배터리는 10개의 셀(cell)을 하나의 모듈로 구성하고, 이렇게 구성된 모듈 25개를 직렬 연결하여 차량 구동용 메인 배터리로 사용하고 있다. 이와 같이 배터리 모듈별로 구성된 배터리는 배터리 트레이에 담은 것을 배터리팩이라고 하며, 현재 전기자동차에는 배터리 모듈별 상태를 관리하여 배터리팩의 상태를 최적화하도록 하고 있다.

이렇게 배터리 모듈 단위로 구성된 배터리팩은 전기자동차 충전시 배터리 자체의 저항 성분에 의해 충전시 열을 발생하게 되고 발생한 열에 의한 배터리 모듈의 온도 상승은 다시 배터리 모듈 자체의 내부 저항 성분을 변동시켜 배터리 모듈의 충전 용량이 변하게 된다.

그러므로 충전시 배터리 모듈간의 온도 차이는 배터리 모듈간의 충전 용량 차이가 되어 일부 배터리 모듈은 만 충전이 되어 실제 배터리팩 관점에서는 완전히만 충전되지 않았어도 충전이 종료되고, 방전시에는 용량이 다른 배터리 모듈보다 부족한 배터리가 먼저 방전되므로 실제 용량은 남아 있어도 주행이 불가능한 현상이 발생하게 된다.

이렇게 배터리 모듈간의 온도 편차에 의한 용량 차이는 차량이 주행 및 충전을 반복하게 되므로 점진적으로 배터리 모듈간의 용량 편차는 증가하게 되고, 결국에는 일부 배터리 모듈의 용량 감소에 의한 수명 감소 현상이 발생하게 되어 전기자동차의 운행에 있어 차량의 성능 감소 및 신뢰성 저하의 원인이 된다. 따라서 구동 배터리 충전시 배터리 모듈간의 온도 편차는 작으면 작을수록 차량의 성능 및 신뢰성은 우수하게 된다.

그러나 앞에서 설명한 바와 같이, 차량 충전시 냉각팬의 회전 방향이 차량 방향이므로 차량 충전시 라디에이터를 통과하는 고온의 냉각수에 의해 배터리팩 내부로 고온의 바람의 유입되게 된다. 이렇게 고온의 바람이 배터리팩 내부에 직접 유입되는 이유는, 도 1에 도시된 바와 같이, 배터리 트레이(11) 외부에는 차량 주행시 배터리 방전에 의해 발생한 열을 감소시키기 위하여 배터리 트레이(11)의 일측에 덕트(12)가 구비되어 있다.

상기 덕트(12)의 설치 때문에 차량 충전시 고온의 뜨거운 공기가 배터리팩 내부로 유입되어 배터리팩 내부 중 고온의 공기를 직접 받는 배터리쪽 모듈의 온도는 다른 배터리 모듈보다 충전시 더 높은 온도 상승이 발생하게 된다.

도 2에는 전기자동차 충전시 배터리 모듈의 온도 편차를 나타내 보인 온도 변화 특성 그래프가 도시되어 있다.

그리고 도 3에는 기존의 냉각팬을 구동하는 개략적인 회로도가 도시되어 있다. 즉, 전술한 바와 같이, 전기자동차가 주행 및 충전시 한 방향으로만 동작하는 냉각팬 제어 회로도를 나타내 보인 것이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 배터리 모듈의 온도 편차를 감소시켜 배터리 모듈의 용량이 균일하게 하여 배터리팩의 수명이 증가되고 차량의 성능 향상 및 신뢰성이 증가되도록 한 전기자동차 충전시 배터리팩 온도 편차 감소를 위한 냉각팬 제어장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 전기자동차용 배터리 트레이의 덕트 구조를 개략적으로 나타내 보인 도면.

도 2는 전기자동차 충전시 배터리 모듈의 온도 편차를 나타내 보인 온도 변화 특성 그래프.

도 3은 종래의 냉각팬을 구동하는 개략적인 회로도.

도 4는 본 발명에 따른 전기자동차 충전시 배터리팩 온도 편차 감소를 위한 냉각팬 제어장치를 나타내 보인 개략적인 회로도.

도 5는 본 발명에 따른 전기자동차 충전시 배터리팩 온도 편차 감소를 위한 냉각팬 제어방법을 순차적으로 나타내 보인 개략적인 순서도.

도 6은 본 발명에 따른 냉각팬 제어 회로를 이용하여 시험한 결과로 충전시 냉각팬의 회전 방향 제어로 인하여 배터리 모듈간의 온도 편차가 감소함을 보여 주는 그래프.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

21. 모터

22. 스위치

23. 3단 릴레이

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전기자동차 충전시 배터리팩 온도 편차 감소를 위한 냉각팬 제어장치는, 전기자동차의 냉각을 위해 상기 전기자동차에 설치된 냉각팬과; 상기 냉각팬을 구동하기 위해 상기 냉각팬에 연결 설치된 모터와; 상기 모터와 연결되어 상기 모터의 구동을 단속하는 스위치와; 상기 스위치와 연결되어 상기 스위치를 온/오프시키는 3단 릴레이와; 상기 전기자동차의 충전시에 바람의 방향이 상기 전기자동차의 바깥쪽으로 나가도록 상기 냉각팬의 회전 방향을 제어하기 위해 상기 3단 릴레이를 제어하는 CEU;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전기자동차 충전시 배터리팩 온도 편차 감소를 위한 냉각팬 제어방법은, (a) 전기자동차의 충전기에 충전을 위한 충전 입력 전원을 공급하는 단계와; (b) 충전 입력 전압이 감지되었는지 판단하는 단계와; (c) 상기 단계 (b)에서 상기 충전 입력 전압이 감지되었으면, 충전을 시작하는 단계와; (d) 3단 릴레이를 온시켜 상기 전기자동차의 냉각팬이 반시계방향으로 회전되게 하는 모드로 작동 제어하는 단계;를 포함하여 된 것을 그 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 4에는 본 발명에 따른 전기자동차 충전시 배터리팩 온도 편차 감소를 위한 냉각팬 제어장치를 나타내 보인 개략적인 회로도가 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 전기자동차 충전시 배터리팩 온도 편차 감소를 위한 냉각팬 제어장치는, 전기자동차의 냉각을 위해 전기자동차에 설치된 냉각팬(미도시)과, 이 냉각팬을 구동하기 위해 냉각팬에 연결 설치된 모터(21)와, 이 모터(21)와 연결되어 모터(21)의 구동을 단속하는 스위치(22)와, 이 스위치(22)와 연결되어 스위치(22)를 온/오프시키는 3단 릴레이(23)와, 전기자동차의 충전시에 바람의 방향이 전기자동차의 바깥쪽으로 나가도록 냉각팬의 회전 방향을 제어하기 위해 3단 릴레이(23)를 제어하는 CEU(Control Electric Unit)(미도시)를 포함하여 구성된다.

상기 CEU는 전기자동차의 주행시에는 모터(21)의 회전 방향이 시계방향으로 되게 상기 3단 릴레이(23)를 제어하고, 충전시에는 모터(21)의 회전 방향이 반시계방향(CCW; counterclockwise)으로 되게 상기 3단 릴레이(23)를 제어한다.

즉, 상기 모터(21)가 시계방향(CW; clockwise)으로 회전하는 경우에는 3단 릴레이(23)는 오프(off) 상태이고, 상기 모터(21)가 반시계방향(CCW)으로 회전하는 경우에는 3단 릴레이(23)는 온(on) 상태이다.

도 5에는 본 발명에 따른 전기자동차 충전시 배터리팩 온도 편차 감소를 위한 냉각팬 제어방법을 순차적으로 나타내 보인 개략적인 순서도가 도시되어 있다.

도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 전기자동차 충전시 배터리팩 온도 편차 감소를 위한 냉각팬 제어방법은, 우선, 전기자동차의 충전기에 충전을 위한 충전 입력 전원을 공급한다.(단계 110)

이어서, 충전 입력 전압이 감지되었는지 판단한다.(단계 120)

상기 단계 120에서 충전 입력 전압이 감지되었으면, 충전을 시작한다.(단계 130)

그리고 3단 릴레이(23)를 온(on)시켜 전기자동차의 냉각팬이 반시계방향 (CCW)으로 회전되게 하는 모드(mode)로 작동 제어한다.(단계 140)

상기한 바와 같이, 전기자동차의 충전시 배터리 모듈의 온도 편차에 의한 차량의 성능 및 신뢰성 감소는 차량 주행 및 충전시 냉각을 위한 냉각팬의 회전 방향을 각각 독립 제어함으로써 해결 가능하다.

전기자동차에는 차량을 제어하기 위한 CEU가 존재하여 차량의 주행 및 충전시에 차량에 필요한 각종 신호들을 제어하고 있다.

따라서 차량 충전시에 냉각팬의 회전 방향을 반대로 하여 바람의 방향을 차량 바깥쪽으로 나가도록 하면 충전시에 발생한 고온의 열이 배터리팩 내부에 유입되지 않으면서도, 충전기에서 발생하는 열을 냉각시킬 수 있다.

그리고 고온의 열에 의한 일부 배터리 모듈의 온도 상승은 발생하지 않게 되고, 일부 배터리 모듈의 온도 상승에 의한 배터리 모듈간의 온도 편차가 발생하지 않게 되어 기존의 냉각팬 제어방법보다 배터리 모듈간의 온도 편차 감소로 인한 배터리 모듈간의 용량이 균일하게 되어 결국에는 구동 배터리의 수명 증가, 성능향상, 신뢰성 향상이 된다.

전술한 바와 같이 도 3과 같이 차량이 주행 및 충전시 한 방향으로만 동작하는 냉각팬 제어 회로를 도 4와 같이 함으로써 추가적인 신호선 없이 3단 릴레이(23)(또는 모든 스위치 소자) 하나만을 추가함으로써 주행시에는 모터(21)의 회전 방향이 시계방향(CW)으로 되게 3단 릴레이(23)(이때 릴레이(23)는 오프 상태 또는 B접점)를 제어한다.

반면, 충전시에는 반시계방향(CCW)으로 되게 3단 릴레이(23)(이때 릴레이(23)는 온 상태 또는 A접점)를 제어하면 된다.

이렇게 제어하게 되면 주행시에는 릴레이(23)에 전원이 공급되지 않으므로 언제나 냉각팬의 회전 방향은 차량 방향이 되고, 충전시에만 3단 릴레이(23)에 전원이 공급되어 냉각팬의 회전 방향이 바뀌게 된다.

그리고 충전이 종료된 후에는 릴레이(23)에 전원이 공급되지 않으므로 자동적으로 냉각팬의 회전 방향은 주행시의 방향이 된다. 이렇게 주행 및 충전시 냉각팬의 회전 방향을 자동으로 변경 가능하게 된다.

한편 도 6은 본 발명에 따른 냉각팬 제어 회로를 이용하여 시험한 결과로 충전시 냉각팬의 회전 방향 제어로 인하여 배터리 모듈간의 온도 편차가 감소함을 보여 주는 그래프이다.

이렇게 배터리 모듈의 온도 편차 감소는 차량 구동을 위한 배터리의 균일한 열관리에 의한 배터리 모듈의 용량이 균일하게 된다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 전기자동차 충전시 배터리팩 온도 편차 감소를 위한 냉각팬 제어장치 및 그 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.

배터리 모듈의 온도 편차 감소에 따른 배터리의 균일한 열관리에 의해 배터리 모듈의 용량이 균일하게 되어 결국 배터리팩의 수명이 증가되고, 궁극적으로 차량의 성능 향상 및 신뢰성이 증가된다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (3)

1. 전기자동차의 냉각을 위해 상기 전기자동차에 설치된 냉각팬과;

   상기 냉각팬을 구동하기 위해 상기 냉각팬에 연결 설치된 모터와;

   상기 모터와 연결되어 상기 모터의 구동을 단속하는 스위치와;

   상기 스위치와 연결되어 상기 스위치를 온/오프시키는 3단 릴레이와;

   상기 전기자동차의 충전시에 바람의 방향이 상기 전기자동차의 바깥쪽으로 나가도록 상기 냉각팬의 회전 방향을 제어하기 위해 상기 3단 릴레이를 제어하는 CEU;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 충전시 배터리팩 온도 편차 감소를 위한 냉각팬 제어장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 CEU는 상기 전기자동차의 주행시에는 상기 모터의 회전 방향이 시계방향으로 되게 상기 3단 릴레이를 제어하고, 충전시에는 상기 모터의 회전 방향이 반시계방향으로 되게 상기 3단 릴레이를 제어하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 충전시 배터리팩 온도 편차 감소를 위한 냉각팬 제어장치.
3. (a) 전기자동차의 충전기에 충전을 위한 충전 입력 전원을 공급하는 단계와;

   (b) 충전 입력 전압이 감지되었는지 판단하는 단계와;

   (c) 상기 단계 (b)에서 상기 충전 입력 전압이 감지되었으면, 충전을 시작하는 단계와;

   (d) 3단 릴레이를 온시켜 상기 전기자동차의 냉각팬이 반시계방향으로 회전되게 하는 모드로 작동 제어하는 단계;를 포함하여 된 것을 특징으로 하는 전기자동차 충전시 배터리팩 온도 편차 감소를 위한 냉각팬 제어방법.