KR20050011929A - 차량 배터리 온도 제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배터리 둘레에 설치되어 엔진열의 전달을 차단하며, 내부에 히트파이프가 통과하는 열교환판; 냉각포인트까지 연장된 냉각용 히트파이프; 열원포인트까지 연장된 보온용 히트파이프; 상기 열교환판내로부터 연장된 히트파이프, 상기 냉각용 히트파이프 및 상기 보온용 히트파이프 각각이 연결되어, 상기 열교환판으로부터 연장된 히트파이프내의 작동유체의 유동경로를 상기 냉각용 히트파이프 또는 상기 보온용 히트파이프로 변환시키는 유체경로조절부; 및 상기 유체경로조절부에 연결되어 차량의 센서들로부터 검지된 정보를 이용하여 상기 유동경로를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 온도 제어장치에 관하여 개시한다. 본 발명에 의하면, 배터리의 열을 히트파이프가 흡수하여 냉각포인트에서 냉각시키거나, 히트파이프가 엔진열을 흡수하여 배터리를 보온시키는 것이 가능하게 되므로, 차량 배터리를 최적 온도범위내에서 유지시키는 것이 가능하게 된다.

Description

차량 배터리 온도 제어장치{APPARATUS FOR CONTROLLING BATTERY TEMPERATURE OF VEHICLE}

본 발명은 차량 배터리 온도 제어장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 히트파이프(heat pipe)를 이용하여 차량 배터리의 온도를 최적 범위에서 유지시킬 수 있는 차량 배터리 온도 제어장치에 관한 것이다.

차량 배터리는 각종 전장부품에 전기를 공급하고, 엔진의 기동시에 엔진작동이 이루어지도록 전류를 공급하는 장치로, 일반적으로 차량의 엔진룸에 설치된다. 이러한 차량의 배터리는 온도에 영향을 받아, 주위의 온도가 너무 낮거나 너무 높은 경우 수명이 단축되고, 충방전 시스템에 악영향을 미친다. 특히, 엔진룸에 위치한 엔진의 열에 의해 열해를 입거나 또는 제네레이터 이상으로 과충전되어 열해를 입는 경우, 배터리의 수명이 급격히 저하되고, 심하면 폭발의 위험성이 있다.

종래에 이러한 열해로부터 배터리를 보호하기 위해 보호커버를 씌워 엔진의 열기를 차단하고 있으나, 이는 단지 제한적으로 엔진의 열기를 차단하는 효과를 가질 뿐이어서, 배터리의 온도하강에는 큰 영향을 주지 못한다.

또한, 종래의 보호커버로 배터리를 보호하는 구조는 과열을 막기 위한 구조일 뿐이어서, 혹한 등으로 인해 배터리의 온도가 적정범위이하로 냉각되는 경우에는 배터리를 적정온도를 보호하지 못하였다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 히트파이프를 이용하여 배터리의 온도가 최적범위 이상인 경우, 배터리의 열을 냉각포인트로 이동시켜 냉각하고, 배터리의 온도가 최적범위 이하인 경우 열원포인트로부터 열을 흡수하여 배터리를 보온하여, 배터리의 온도를 최적범위에서 유지시킬 수 있는 배터리 온도 제어장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 냉각포인트를 다양화하여 주행시나, 외기온도가 높은 지역에 차량이 서행하거나 아이들 상태에서도 배터리의 과열을 방지할 수 있는 차량 배터리 온도 제어장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 차량 배터리 온도 제어장치의 개념도이다.

도 2 는 본 발명에 따른 차량 배터리 온도 제어장치의 열교환판의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.

도 3 는 본 발명에 따라 설정된 냉각포인트인 차량의 에이필라의 구조를 도시한 도면이다.

도 4 본 발명의 일 실시예들에 따른 유동경로조절부를 설명하기 위한 도면이다.

도 5 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유동경로조절부를 설명하기 위한 도면이다.

도 6 는 본 발명의 실시예에 따른 차량 배터리 온도 제어장치의 작용을 설명하기 위한 흐름도이다.

*도면의 주요 부분에 부호의 설명

1: 배터리 5: 엔진

6: 증발기 8: 에이필라

10: 열교환판 20: 열교환판용 히트파이프

30, 30': 유체경로조절부 40, 50: 냉각용 히트파이프

60: 보온용 히트파이프 92, 94: 냉각포인트

96: 열원포인트 100: 제어부

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 배터리 둘레에 설치되어 엔진열의 전달을 차단하며, 내부에 열교환판용 히트파이프가 통과하는 열교환판; 냉각포인트까지 연장된 냉각용 히트파이프; 열원포인트까지 연장된 보온용 히트파이프; 상기 열교환판내로부터 연장된 상기 열교환판용 히트파이프, 상기 냉각용 히트파이프 및 상기 보온용 히트파이프 각각이 연결되어 상기 열교환판용 히트파이프내의 작동유체가 상기 냉각포인트 또는 상기 열원포인트로 유동되도록 유동경로를 변환시키는 유체경로조절부; 및 상기 유체경로조절부에 연결되어 차량의 센서들로부터 검지된 정보를 이용하여 상기 유동경로를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 온도 제어장치를 제공한다.

본 발명의 일 특징에 의하면, 상기 냉각포인트는 에이필라로 설정된다.

본 발명의 다른 특징에 의하면, 상기 냉각포인트는 에이필라 및 증발기 인접지점을 포함하고, 상기 제어부는 차량 에어컨 스위치의 가동여부에 관한 정보를 입력받아 상기 냉각포인트 중 하나를 선택하는 것을 특징한다.

본 발명은 바람직하게는, 배터리의 온도를 검지하는 온도센서를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 차량 배터리 온도 제어장치는 히트파이프를 이용하여 배터리를 최적온도 범위에서 유지시키기 위한 장치이다. 도 1 은 본 발명에 따른 차량 배터리 온도 제어장치의 개념도이며, 도 2 는 본 발명에 따른 차량 배터리 온도 제어장치의 열교환판의 일 예를 설명하기 위한 도면이며, 도 3 는 본 발명에 따라 설정된 냉각포인트인 차량의 에이필라의 구조를 도시한 도면이며, 도 4 및 도 5 는 본 발명에 실시예들에 따른 유동경로조절부를 설명하기 위한 도면이다.

히트파이프는 종래에 공지된 바와 같이, 파이프 내면을 모세관상 구조로 정밀가공하여 작동액을 완전 밀봉시킨 구조로서, 고온측에서 열을 흡수하여 형성된 증기가 파이프의 한쪽으로 이동되면서 열에너지를 빼앗겨 응축 액화되며, 응축액은 다시 고온측으로 순환복귀하여 재 증발되는 과정을 반복하면서 열을 전달한다. 즉, 작동액의 상변화가 반복되면서 열을 전달하는 구조이다. 이러한 히트파이프는 제작이 용이하며 성능이 우수하여 다양한 응용이 예상되고 있다.

히트파이프 내의 작동유체는 작동온도에 따라 다양한 유체들이 사용되는 데,표 1 은 히트파이프에서 작동온도에 따라 사용가능한 작동유체를 정리한 것이다.

작동온도(℃)	주요 작동유체
-270 ~ -70	헬룸, 아르곤, 크립톤, 질소, 메탄
-70 ~ 200	물, 프레온계 냉매, 암모니아, 아세톤, 메탄올, 에탄올
200 ~ 500	나프탈렌, 유황, 수은
500 ~ 1000	세슘, 칼륨, 나트륨
1000 이상	리튬, 납, 은

차량 배터리의 전해액은 외부환경에 의해서 -30℃ ~ 100 ℃ 정도 범위의 온도변화를 가지므로, 본 발명에서는 이 정도의 열원을 옮길 수 있는 작동유체로 증류수를 이용한다.

도 1 을 참조하면, 본 발명에 따른 차량 배터리 온도 제어장치는 배터리(1) 둘레에 설치되는 열교환판(10)과, 상기 열교환판(10)에 내장되는 열교환판용 히트파이프(20)가 연결되는 유체경로조절부(30) 및 상기 유체경로조절부(30)에 각각 연결되어 냉각포인트(92, 94) 및 열원포인트(96)까지 연장된 히트파이프들(40, 50, 60)을 포함한다.

도 2 에 도시된 바와 같이, 열교환판(10)은 엔진(5)의 열이 직접적으로 배터리(1)에 전달되는 것이 차단되도록 배터리(10) 둘레에 설치되며, 내부에는 열교환판용 히트파이프(10)가 지그재그형으로 배치되어 내장된다. 바람직하게는 열교환판(10)에서 배터리(1)를 향한 측면으로는 통공(미도시)이 형성되어 열교환판용 히트파이프(20)를 통한 열흡수 또는 열방출이 배터리의 온도에 보다 직접적으로 영향을 미치게 구성된다.

열교환판용 히트파이프(20)는 열교환판(10)의 일측면을 통과하여 외부로 연장형성되고, 이 연장부는 유체경로조절부(30)의 일측으로 연결된다. 유체경로조절부(30)의 타측으로 복수개의 히트파이프가 연결되어 냉각포인트(92,94) 및 열원포인트(96)까지 연장된다.

냉각포인트는 배터리의 온도가 최적범위를 초과하는 경우, 히트파이프를 통해 전달된 열을 냉각하는 지점이다. 냉각포인트는 다양한 지점이 선택가능하나, 본 실시예에서는 차량의 전면에 위치하여 차량 주행에 의한 주행풍을 직접적으로 받기에 유리한 에이필라를 냉각포인트(92)로 설정한다. 그러나, 냉각포인트는 에이필라(8)에 국한되지 않고 라디에이터 전면 등으로 선택되어도 무방하다.

도 3 에 도시된 바와 같이, 주행풍 또는 외기온도를 이용하는 냉각포인트(92)인 에이필라(8)에는 외기가 소통가능하도록 다수개의 통공(9)이 형성되며, 냉각용 히트파이프(40)의 단부 부근에는 냉각효율을 증대시키기 위하여 방열핀(미도시)이 부착된다.

배터리(1) 가열은 차량의 운행에 의해 발생하므로, 일반적으로 주행풍을 이용하여 배터리(1)를 냉각시키면 배터리(1)를 최적 온도범위내에서 유지하는 것이 가능하다. 그러나, 차량이 외기온도가 높은 지역에서 서행하거나, 정차시간이 오래 지속되는 경우, 주행풍에 의한 냉각효과는 낮아진다. 따라서, 본 발명은 주행풍에 의해 배터리가 원하는 범위까지 냉각되지 않는 경우를 대비하여, 다른 실시예로서 주행풍에 의한 냉각포인트(92)외에, 외기온도가 높은 지역에서의 서행 또는 장시간의 정차시 하트 파이프 냉각을 위한 추가의 냉각포인트(94)를 갖는 차량 배터리 온도 제어장치를 제안한다.

일반적으로 외기온도가 높은 지역에서 운전자는 차량 에어컨을 작동시킨다. 이 때 증발기(6)에는 냉매가 기화되면서 주변의 열을 흡수한다. 따라서, 본 발명의 다른 실시예는 증발기(6)에 인접한 지점을 다른 하나의 냉각포인트(94)로 선택하여 히트파이프(50)를 연장배치한다. 증발기(6) 인접한 지점에 히트파이프(50)가 배치됨으로 인해, 차량 에어컨 가동시에, 차량이 아이들 상태에 있거나, 서행시에는 증발기의 증발잠열 흡수에 의해 배터리(1)로부터 전달된 열이 냉각되어 진다.

열원포인트(96)는 혹한기 또는 외기온도가 매우 낮은 지역에서 배터리에 열을 공급하여 배터리(1)를 보온가능하게 하는 지점이다. 차량의 가동시 엔진(5)은 지속적으로 열을 발산하는 발열체이므로, 엔진(5)에 인접한 지점을 열원포인트(96)로 선택한다. 따라서, 혹한기 또는 외기 온도가 매우 낮은 지역에서는 히트파이프(60)를 통해 열원포인트의 열이 열교환판(10)으로 전달되어 배터리(1)에 열을 공급한다. 따라서, 배터리(1)의 전해액이 적정온도 이하로 냉각되는 것을 방지하여 배터리(1)의 성능이 일정하게 유지시킨다.

도 4 에는 유체경로조절부(30)의 일예가 도시되어 있는 데, 본 발명의 일실시예에 따라 주행풍을 이용한 냉각이 가능한 에이필라(8)가 냉각포인트(92)로, 엔진 (1)인접지점이 열원포인트(96)로 선택된 경우의 유체경로조절부(30)를 도시한 것이다. 도 5 는 유체경로조절부(30)의 다른 실시예를 도시한 것으로, 에이필라(8) 및 증발기(6) 인접지점이 각각 냉각포인트(92, 94)로 설정되고, 엔진(5) 인접지점이 열원포인트(96)로 선택된 경우의 유체경로조절부(30')를 도시한 것이다.

도 4 를 참조하면, 유체경로조절부(30)는 솔레노이드(32)를 이용하여 유체의이동경로를 변환한다. 유체경로조절부(30)의 몸체내에 경로변환부(34)가 위치하고, 일측으로 열교환판(10)의 내부로 부터 연장된 열교환판용 히트파이프(20)가 연결되고, 타측으로 열원포인트(96)까지 연장된 보온용 히트파이프(60)와, 냉각포인트(92)까지 연장된 냉각용 히트파이프(40)가 연결된다. 따라서, 솔레노이드(32)에 공급되는 전원을 제어하여 경로변환부(34)가 이동되고, 이에 의해 냉각포인트(92)로 유체를 유동하게 하거나, 열원포인트(96)로 유체를 이동하게 한다.

도 5 를 참조하면, 냉각포인트가 복수개의 지점으로 선택된 경우, 유체경로조절부(30')는 도 4 에 도시된 유체경로조절부(30)가 복수개 연결된 구조를 구비한다. 즉, 열교환판의 내부로부터 연장된 열교환판용 히트파이프(20)가 일측으로 연결되고, 타측으로 열원포인트(96)로 연장된 보온용 히트파이프(60)와 연결용 히트파이프(45)가 연결된 제 1 유체경로조절부(30a)와, 일측으로 연결된 연결용 히트파이프(45)를 통해 제 1 유체경로조절부(30a)와 연결되며, 타측으로 에이필라(8)로 연장된 냉각용 히트파이프(40)와 증발잠열을 이용한 냉각포인트인 증발기(6) 인접지점으로 연장된 냉각용 히트파이프(50)가 연결된 제 2 유체경로조절부(30b)를 구비한다. 따라서, 제 1유체경로조절부(30a) 및 제 2 유체경로조절부(30b)의 경로변환부(32a, 32b) 동시에 제어하여, 선택된 냉각포인트(92, 94) 또는 열원포인트(96)로 유체가 유동하게 제어가능하다.

본 실시예에서는 솔레노이드(32, 32a, 32b)를 이용하여 유체경로조절부(30, 30')를 구성하였으나, 통상의 방향전환밸브장치인 삼방변으로 구성가능하며, 제 1 유체경로조절부(30a) 및 제 2 유체경로조절부(30b)가 일체로 형성되어도 무방하다.본 발명은 이러한 유체경로조절부(30,30')의 구성에 의해 제한되지 않는다.

유체경로조절부(30,30')는 제어부(100)에 의해 제어된다. 제어부(100)는 차량에 일반적으로 설치되는 외기온도센서, 차속센서 및 수온센서 등을 통해 입력되는 정보를 이용하여 히트파이프들(20, 40, 50, 60)내 작동유체의 유동경로를 결정 제어한다. 특히 FATC 시스템이 장착된 차량의 경우 외기온도센서, 수온센서, 내기온도센서, 차속센서를 구비하고, 제어부로서 MCU가 장착되어 있는 바, 본 발명에 따른 제어부는 FATC 시스템의 MCU로 설정될 수 있으며, 또는 ECU 로 설정될 수도 있다. 물론 별개의 제어수단이 설정될 수도 있다.

보다 바람직하게는 배터리(1)에 인접하여 배터리의 온도를 측정하기 위한 온도센서(미도시)가 부착된다. 온도센서는 배터리(1)가 주위의 열에 의해 가열되거나, 전류에 의한 과충전으로 과열되는 경우 또는 주위 온도에 의해 과냉각되는 경우를 감지하고, 제어부(100)는 이 온도센서를 통해 입력되는 정보와 상기 타 센서를 통해 입력되는 정보를 이용하여 유체경로조절부를 제어한다.

이하 본발명의 실시예에 따라 냉각포인트가 에이필라 및 증발기 인접지점으로 설정되고, 제 1 및 제 2 유체경로조절부(30a, 30b)로 이루어진 유체경로조절부(30')를 구비한 챠량 배터리 온도 제어장치의 작용을 설명한다.

도 5 는 본 발명의 일 실시예의 작용을 설명하기 위한 흐름도이다. 본 실시예에서는 솔레노이드(32a, 32b)에 전원이 공급되지 않을 때, 히트 파이트내의 작동유체는 열교환판(10)과 에이필라(8) 쪽 냉각포인트(92) 사이에서 순환되게 초기 설정되어 있다. 또한 설명의 편의를 위하여, 유체경로조절부(30, 30')에서 열교환내로부터 연장된 히트파이프 내의 작동유체가 보온용 히트파이프로 유동하도록 유동경로가 조절된 경우를 State 1, 에이필라 쪽 냉각포인트로 유동하도록 유동경로가 조절된 경우를 State 2, 증발기 쪽 냉각포인트로 유동하도록 유동경로가 조절된 경우를 State 3 으로 표시한다.

도면을 참조하면, 온도센서는 배터리의 온도를 검지하여 제어부(100)에 전달한다(S100). 제어부(100)는 검지된 배터리 온도(a)와 기설정된 배터리 최적온도 범위(t)와 비교하여 냉각 또는 가열여부를 결정한다. 따라서, 검지된 배터리의 온도(a)가 최적온도 범위(t) 미만인 경우(S200) 제 1 유체경로조절부(30a)의 솔레노이드(32a)에 전원을 공급하여 작동유체가 열교환판(10)과 열원포인트(96) 사이에서 열을 전달하도록 State 1 상태로 제어한다(S300). 이 때, 작동유체는 엔진(5)의 열을 흡수하여 증발되고 열교환판(10) 내부에서 응축되면서 배터리(1)를 보온시킨다.

제어부(100)는 검지된 배터리(1)의 온도(a)가 최적온도 범위(t)를 초과하는 경우(S210)에는 제 1 유체경로조절부(30a)의 솔레노이드(32a)에 공급되는 전원을 차단하여, 작동유체가 연결용 히트파이프(45) 유동되게 경로를 전환한다. 이때 제어부(100)는 차속센서와 외기온도센서에서 검지된 정보와 차량 에어컨 스위치의 작동여부에 대한 정보를 입력받아, 외기온도가 설정값(b)보다 낮은 경우(S220)에는 작동유체가 에이필라(8) 쪽 냉각포인트(92)로 유동되게 제 2 유량경로조절부(30b)를 제어 State 2 상태로 제어한다.

외기온도가 설정값보다 높은 경우에(S210)는 차속센서 및 에어컨 스위치의작동여부를 검지하여 차량의 주행속도가 설정치(c)를 초과하거나(S222), 차량의 주행속도가 설정치(c) 미만인 경우에도 차량에어컨이 가동되지 않은 경우(S224)에는 에이필라(8) 쪽 경로가 오픈되는 State 2 상태로 제어된다.

그러나, 차량의 주행속도가 설정치 미만(S222)이면서 차량 에어컨이 가동되는 경우(S224)에는 증발기(6) 쪽 경로를 오픈시켜 State 3 상태가 되게 제어한다.

배터리의 최적온도 범위(t)와, 기준이 되는 외기온도 및 차속의 설정값(b, c)는 배터리 전해액의 종류 차량 구조에 따라 선택되어 입력된다.

온도센서가 구비되지 않은 실시예에서는 수온센서를 통해 엔진룸의 온도를 간접 측정하여 간접적으로 배터리 온도를 검지하게 되고, 상기와 같이 작용한다.

따라서, 혹한기 등의 경우에 배터리의 온도가 최적범위 미만인 경우에는 열원포인트인 엔진 쪽과 열교환판 사이에서 작동유체가 순환하면서 열을 배터리 측으로 옮겨 배터리를 보온하고, 고온이나 배터리 과충전으로 인해 배터리의 온도가 최적범위를 초과하는 경우 냉각포인트와 열교환판 사이를 작동유체가 순환하면서 배터리의 열을 냉각포인트를 이동시켜 배터리를 냉각한다. 특히, 고온지역을 차량이 운행하는 경우에, 차량의 서행 또는 정차에 의해 주행풍을 통한 냉각이 불가능한 경우, 에어컨의 가동상태를 검지하여 증발기에 인접한 냉각포인트에 작동유체를 순환시켜 증발기의 흡열을 이용하여 배터리를 냉각시키게 된다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

본 발명에 의한 차량 배터리 온도 제어장치에 의하면, 배터리의 열을 히트파이프가 흡수하여 냉각포인트에서 냉각시키거나, 히트파이프가 엔진열을 흡수하여 배터리를 보온시키는 것이 가능하게 되므로, 차량 배터리를 최적 온도범위내에서 유지시키는 것이 가능하게 된다. 따라서, 배터리의 전해액이 일정한 온도범위내에서 유지되므로, 수명이 연장되고, 성능이 향상된다.

Claims (5)

1. 배터리 둘레에 설치되어 엔진열의 전달을 차단하며, 내부에 열교환판용 히트파이프가 통과하는 열교환판;

   냉각포인트까지 연장된 냉각용 히트파이프;

   열원포인트까지 연장된 보온용 히트파이프;

   상기 열교환판내로부터 연장된 열교환판용 히트파이프, 상기 냉각용 히트파이프 및 상기 보온용 히트파이프 각각이 연결되어, 상기 열교환판용 히트파이프내의 작동유체의 유동경로를 상기 냉각용 히트파이프 또는 상기 보온용 히트파이프로 변환시키는 유체경로조절부; 및

   상기 유체경로조절부에 연결되어 차량의 센서들로부터 검지된 정보를 이용하여 상기 유동경로를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 온도 제어장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 냉각포인트는 에이필라인 것을 특징으로 하는 차량 배터리 온도 제어장치
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 냉각포인트는 에이필라 및 증발기 인접지점을 포함하고, 상기 제어부는차량 에어컨 스위치의 가동여부에 관한 정보를 입력받아 상기 냉각포인트 중 하나를 선택하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 온도 제어장치.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 에이필라에는 공기가 유통 가능하도록 통공이 형성되는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 온도 제어장치.
5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

   상기 배터리의 온도를 검지하는 온도센서를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 온도 제어장치.