KR20060039376A - 전지팩의 온도 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전지팩의 온도 제어 방법에 관한 것으로, 전지의 온도가 최고 허용 온도(Tmax) 이상 또는 최저 허용 온도(Tmin) 이하이고 동시에 전지의 온도(Tbat )와 주입 공기의 온도(Tair)의 차이가 임계값(Tcrt) 이상인 조건을 만족할 때, 팬을 작동시켜 전지의 온도를 최적 작동 온도범위(Topt)로 변화시키는 과정과, 바람직하게는 단위전지들 간의 최대 온도편차(Tvar)가 소정의 임계값(Tcrt1) 이상일 때 팬을 작동시켜 단위전지들의 온도편차를 최적 작동 온도편차 범위(Topt1)로 변화시키는 과정을 포함하는 것으로 구성되어 있다.
본 발명의 방법에 따르면, 팬의 구동을 최소화하여 불필요한 전력 소비를 줄이면서 최적의 전지 작동 상태를 달성할 수 있고, 또한 단위전지들 간의 온도편차를 줄여 전지 시스템 전체의 작동 상태를 최적화할 수 있다.

Description

전지팩의 온도 제어 방법 {Process for Controlling Temperature of Battery Pack}
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩 온도 제어 방법을 구현하기 위한 작동 흐름도이다.
본 발명은 전지팩의 온도 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전지팩이 과도하게 가열 또는 냉각된 경우 팬을 구동시켜 전지팩의 온도를 제어할 때, 팬의 작동을 위한 전지팩의 최고 허용 온도 및 최저 허용 온도에 대한 임계값뿐 아니라 전지팩과 주입 공기의 온도차에 대한 임계값을 동시에 고려하여 팬의 작동을 제어하고, 바람직하게는 전지팩을 구성하는 단위전지들 간의 최대 온도편차를 최소화할 수 있는 조건을 설정함으로써, 최소한의 팬 구동에 의한 최적의 온도 제어 효과와 최적의 전지 작동 상태를 제공할 수 있는 온도 제어 방법을 제공한다.
가솔린, 경유 등의 화석 연료를 사용하는 차량의 가장 큰 문제점 중의 하나는 대기오염을 유발한다는 점이다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로서 차 량의 동력원을 충방전이 가능한 이차전지로 사용하는 기술이 관심을 끌고 있다. 따라서, 배터리 만으로 운행될 수 있는 전기자동차(EV), 배터리와 기존 엔진을 병용하는 하이브리드 전기자동차(HEV) 등이 개발되었고, 일부는 상용화되어 있다. EV, HEV 등의 동력원으로서의 이차전지는 주로 니켈 금속수소(Ni-MH) 전지가 주로 사용되고 있지만, 최근에는 리튬 이온전지의 사용도 연구되고 있다.
이러한 이차전지가 EV, HEV 등의 동력원으로 사용되기 위해서는 고출력 대용량이 요구되는 바, 이를 위하여 다수의 소형 이차전지(단위전지)를 직렬 또는 병렬로 연결하여 전지군을 형성하고 다시 다수의 전지군을 병렬 또는 직렬로 연결하여 하나의 전지팩으로 형성하여 사용하고 있다.
그러나, 이와 같은 고출력 대용량 전지는 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시킨다는 문제점을 가지고 있다. 충방전 과정에서 발생한 단위전지의 열이 효율적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 단위전지의 열화를 초래한다.
또한, 전지팩의 온도가 과도하게 저하되는 경우에는 단위전지내의 전기화학적 반응에 많은 저항요소들이 작용하여 전지의 성능이 현저히 떨어지는 문제점이 있다.
따라서, 고출력 대용량의 전지인 전지팩에서 단위전지의 효율적인 작동을 위한 온도 제어가 요구된다.
전지팩의 그러한 온도 제어 방법으로서 종래기술에서는, 전지의 효율적 작동 을 위한 온도 범위(Trng)와 전지의 최대 허용 온도(Tmax) 및 최저 허용 온도(Tmin )를 각각 설정하여, 전지팩의 온도가 Tmax 이상이 될 때에는 냉각 팬을 작동하고 반대로 Tmin 이하가 될 때에는 공조 시스템의 히터를 작동하여 전지팩의 온도를 Trng 로 유지하는 방법이 사용되고 있다. 일부 선행기술에서는 Trng 와 Tmax 의 온도 구간과 T rng 와 Tmin 의 온도구간을 세분화하여 팬의 구동률을 조절하는 방법을 더 포함하고 있다.
그러나, 이러한 종래기술의 방법은 다음과 같은 문제점을 가지고 있다.
첫째, 팬의 작동으로 공급되는 공기의 냉각 또는 가열 효율이 고려되지 않고 전지팩의 온도변화만을 감지하여 팬이 작동되므로, 팬의 구동 대비 온도 제어의 효율이 현격히 낮다. 예를 들어, 팬의 구동에 의해 유입되는 공기의 온도가 높은 경우에는 팬의 높은 구동률에도 불구하고 냉각 효과가 미비하다.
둘째, 전지팩을 구성하는 단위전지들의 온도차에 따른 전지 효율 저하를 제어하지 못한다. 전지 시스템의 작동 효율성을 저하시키는 주요 원인중의 하나가 단위전지간의 큰 온도편차임에도 불구하고 종래기술의 방법에서는 이러한 요소가 고려되지 않고 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 일거에 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은 다양한 실험과 심도있는 연구를 병행한 끝에, 전지팩의 온도 제어 시스템상에서 작동하는 팬에 의해 공급되는 공기의 온도와 단위전지의 온도의 차이가 일정한 수준 이상일 때 팬의 구동에 의한 온도 제어가 효과적으로 얻어질 수 있으며, 이러한 시스템에서 단위전지들의 온도편차를 동시에 제어할 경우에는 전지의 최적 작동 조건이 달성될 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명의 첫번째 목적은 전지팩의 온도 제어 시스템에서 최소한의 팬 구동으로 최적의 온도 제어를 실행할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 두번째 목적은 단위전지들의 온도편차의 동시적 제어에 의해 전지 시스템의 최적의 작동을 위한 온도 제어 방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지팩의 온도 제어 방법은, 전지의 온도가 최고 허용 온도(Tmax) 이상 또는 최저 허용 온도(Tmin) 이하이고 동시에 전지의 온도(Tbat)와 주입 공기의 온도(Tair)의 차이가 임계 온도(Tcrt) 이상인 조건을 만족할 때, 팬을 작동시켜 전지의 온도를 최적 작동 온도 범위(Topt)로 변화시키는 과정을 포함하는 것으로 구성되어 있다.
본 발명의 특징 중의 하나는, 공조 시스템의 팬을 작동하여 열교환 매체로서 의 공기를 전지에 가하여 온도를 제어할 때, Tmax 또는 Tmin 뿐만 아니라 Tbat - Tair 를 함께 고려하여 팬의 작동 여부를 결정한다는 점이다. 전지의 온도가 Tmax 이상이어서 냉각이 요구되거나 Tmin 이하이어서 가열이 요구되더라도, Tbat - Tair 가 임계 온도차(Tcrt) 이하일 때에는 팬의 작동에 따른 효과가 크지 못하다. 따라서, 본 발명에서는 냉각 또는 가열이 요구되더라도 Tbat - Tair 가 Tcrt 이상일 때에만 팬을 작동할 수 있도록 구성하여, 팬의 과도한 구동에 따른 전력 소비의 낭비, 제품 수명의 저하 등의 문제점을 해결하고 있다.
본 발명의 방법에서 상기 전지는 온도의 측정 대상으로서 전지팩, 또는 전지팩을 구성하고 있는 전지군, 또는 전지군을 구성하고 있는 단위전지일 수 있다. 상기 전지가 전지군 또는 단위전지일 때에는 다수의 전지군 또는 단위전지에서 온도를 측정하여, 그 중 최고온도 및 최저온도를 전지의 측정 온도(Battery Temperature: Tbat)로서 설정하거나 또는 평균 온도를 측정 온도(Tbat)로서 설정할 수 있다.
상기 최고 허용 온도(Maximum Acceptable Temperature: Tmax)는 팬의 작동에 의해 전지의 냉각이 요구되는 온도로서 전지의 종류에 따라 달라질 수 있고, 상기 최저 허용 온도(Minimum Acceptable Temperature: Tmin)는 팬의 작동에 의해 전지의 가열이 요구되는 온도로서 역시 전지의 종류에 따라 달라질 수 있다.
경우에 따라서는, 팬의 작동이 요구되는 Tmax 과 Tmin 을 각각 세분화하고 그에 따라 팬의 구동률을 변화시킬 수도 있다. 예를 들어, 60%의 팬 구동률을 위한 Tmax1, 80%의 팬 구동률을 Tmax2, 90%의 팬 구동률을 위한 Tmax3, 100%의 팬 구동률을 위한 Tmax4 를 순차적으로 증가하는 온도로서 다수 설정할 수 있다. 하나의 예로서 팬의 작동을 개시하는 Tmax 는 약 20℃이고 Tmin 은 -10℃ 일 수 있다.
팬의 구동에 의해 전지팩 내로 유입되는 열교환 매체로서의 공기는, 시스템 외부로부터 유입되는 공기, 시스템 내의 순환 공기, 별도의 냉각장치 또는 엔진 등의 가열장치로부터의 순환 공기 등일 수 있다. 바람직하게는 상기 공기는 시스템 외부로부터 유입되는 공기이다.
공기의 온도(Air Temperature: Tair)가 전지의 온도(Tbat)와 일정한 수준 이상으로 차이가 날 때, 팬의 구동에 의한 온도 제어 효과가 얻어질 수 있다. 따라서, 온도차(Tbat - Tair)가 임계값(Critical Temperature: Tcrt) 이상일 때 팬의 구동이 개시된다. Tcrt 역시 전지의 종류에 따라 달라질 수 있으며, 하나의 바람직한 예에서 Tcrt 은 5℃ 이다.
경우에 따라서는, 상기 공기가 시스템 외부로부터 유입되는 공기이고, Tair 이 너무 높을 때에는 별도의 냉각장치로부터 공급되는 공기와 혼합 또는 대체되는 단계와, Tair 가 지나치게 낮을 때에는 별도의 가열장치로부터 공급되는 공기와 혼 합 또는 대체되는 단계를 더 포함할 수도 있다.
이러한 구성에 의해 열교환 매체로서의 공기 온도(Tair)를 적정한 수준으로 유지할 수도 있다. 상기 가열장치는 엔진 자체일 수 있고 또는 별도의 히터일 수 있다.
전지의 상기 최적 작동 온도 범위(Optimal Range of Temperature: Topt) 역시 전지의 종류에 따라 달라질 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 팩 구동 조건을 만족하지 못하더라도 단위전지별 최대 온도편차(Temperature Variation: Tvar)가 소정의 임계값(Tcrt1) 이상일 때 팬을 작동시켜 전지의 최적 작동 온도편차 범위(Topt1)로 변화시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 전지 시스템의 효율은 전지팩을 구성하는 각 단위전지들의 온도편차가 클 경우에 현저히 저하된다. 따라서, 상기와 같은 방법에 의해 전지의 작동 상태는 최적화될 수 있다.
상기 최대 온도편차(Tvar)의 임계값(Tcrt1)과 최적 작동 온도편차 범위(Topt1 )는 전지의 종류에 따라 달라질 수 있으며, 하나의 바람직한 예에서 Tcrt1 이 4℃이고, Topt1 이 2℃이다.
상기 전지팩은 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등과 같은 고출력 대용량의 동력을 필요로 하는 전기 차량의 동력원으로 사용된다. 특히 바람직하게는 상 기 전지팩이 하이브리드 전기자동차의 동력원일 수 있다.
경우에 따라서는, 본 발명에 따른 온도 제어 방법의 효율성을 높이기 위하여 기타의 단계들이 추가될 수 있으며, 이러한 추가적인 단계들을 포함하는 방법 역시 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 본 발명의 내용을 상술하지만, 이들은 이해를 돕기위한 것일 뿐, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩 온도 제어 시스템의 작동 플로우가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 전지팩의 온도 제어 시스템이 가동되었을 때, 우선 각종 매개 상수들의 값을 읽고(S100), 전지의 온도(Tbat)와 공기의 온도(Tair) 등을 측정한다(S110). 상기 매개 상수들은, 예를 들어, Tmax 가 20℃로 설정되고, Tmin 가 -10℃로 설정되고, Tcrt 가 5℃로 설정되고, Tcrt1 이 4℃로 설정된다. Tbat 와 Tair 는 온도 센서에 의해 측정될 수 있다.
측정한 Tbat 가 기설정된 Tmax 인 20℃ 이상인지 여부를 판단하여(S120), 20℃ 이상이면(YES), 다음 단계로서 Tbat - Tair 의 절대값이 임계값인 5℃ 이상인지 여부를 판단한다(S130). 판단 결과, 5℃ 이상이면(YES) 팬을 작동시키고(S160), 5℃ 미만이면(NO) 이후 설명하는 단계 S170으로 넘어간다.
상기 단계 S120에서 20℃ 미만이면(NO), Tmin 인 -10℃ 이하인지 여부를 판단한다(S140). 판단 결과, -10℃ 이하이면(YES), Tbat - Tair 의 절대값이 임계값인 5℃ 이상인지 여부를 판단한다(S150). 판단 결과, 5℃ 이상이면(YES), 팬을 작동시킨다(S160).
상기 단계 S140에서 -10℃를 초과하거나(NO), 상기 단계 S150에서 5℃ 미만이면, 이후 설명하는 단계 S170으로 넘어간다.
단계 S170에서는 단위전지들에서 측정한 최대 온도편차가 Tcrt1 인 4℃ 이상인지 여부를 판단하여, 그 이상이면(YES) 팬을 작동시킨다(S180). 만일, 4℃ 미만이면서(NO) 팬이 작동중이면 작동을 멈추고(S190), 작동중이 아니면 별도의 수행작업 없이 단계 S110으로 회귀한다. 일단, 팬이 작동되면(S160, S180), S110으로 회귀한다.
도 1의 작동 플로우만 하더라도 다양한 변형이 가능한 바, 예를 들어, 단계 S110 이후 단계 S130 또는 S150을 행한 후 단계 S120과 S140을 실행하도록 구성할 수 있다. 또한, 단계 S170을 실행한 후 단계 S120을 실행하는 구성도 가능하다. 또한, 앞서 설명한 바와 같이, 팩의 구동률을 조절할 수 있도록 순차적인 증가값의 Tmax1, Tmax2, Tmax13 ... 등을 기설정하여 단계 S120과 S130의 사이에서 다수의 판단 과정과 팩의 구동률을 결정하는 단계를 실행하는 구성도 가능하다. 또한, 단계 S160과 S180에서 팬의 구동 후에도 바로 단계 S110으로 회귀하지 않고, 전지의 온 도를 측정하여 그 값이 전지 작동을 위한 최적 온도 범위내에 존재하는지 여부를 판단하여, 그러한 범위내에 존재하는 경우에는 팬의 작동을 정지시키는 단계(S190)를 거쳐 S110으로 회귀하고, 그러한 범위내에 존재하지 않는 경우에는 계속적으로 팬을 작동하는 루프를 실행하는 구성도 가능하다.
이와 같이, 본 발명의 개념을 실행할 수 있는 다양한 구성들이 가능하며, 이러한 다양한 구성들 모두는, 측정된 전지의 온도가 팬의 작동이 요구되는 최대 또는 최저 허용 온도를 넘어서는지 여부와, 그러한 범위를 넘어서는 경우에도 전지의 온도와 공기의 온도가 특정한 임계값을 넘어서는지 여부를 함께 판단하여 팬의 작동을 최종적으로 결정한다는 본 발명의 개념을 바탕으로 하고 있다.
따라서, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 전지팩 온도 제어 방법에 따르면, 팬의 구동을 최소화하여 불필요한 전력 소비를 줄이면서 최적의 전지 작동 상태를 달성할 수 있고, 또한 단위전지들 간의 온도편차를 줄여 전지 시스템 전체의 작동 상태를 최적화할 수 있다.

Claims (10)

  1. 전지의 온도가 최고 허용 온도(Tmax) 이상 또는 최저 허용 온도(Tmin) 이하이고 동시에 전지의 온도(Tbat)와 주입 공기의 온도(Tair)의 차이가 임계값(Tcrt) 이상인 조건을 만족할 때, 팬을 작동시켜 전지의 온도를 최적 작동 온도 범위(Topt)로 변화시키는 과정을 포함하는 것으로 구성되어 있는 전지팩의 온도 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 온도 측정 대상으로서의 상기 전지는 전지팩, 또는 전지팩을 구성하고 있는 전지군, 또는 각 전지군을 구성하고 있는 단위전지인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 팬의 작동이 요구되는 Tmax 과 Tmin 을 각각 세분화하고 그에 따라 팬의 구동률을 변화시키는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 팬의 작동을 개시하는 상기 Tmax 는 20℃이고 상기 Tmin 은 -10℃인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 열교환 매체로서의 상기 공기는, 시스템 외부로부터 유입 되는 공기, 시스템 내의 순환 공기, 또는 시스템 내부의 냉각장치 또는 가열장치로부터 공급되는 공기인 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 Tcrt 은 5℃인 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 공기는 시스템 외부로부터 유입되는 공기이고, Tair 이 너무 높을 때에는 별도의 냉각장치로부터 공급되는 공기와 혼합 또는 대체되는 과정과, Tair 가 지나치게 낮을 때에는 별도의 가열장치로부터 공급되는 공기와 혼합 또는 대체되는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 전지의 온도가 상기 조건을 만족하지 못하고 단위전지별 최대 온도편차(Tvar)가 소정의 임계값(Tcrt1) 이상일 때, 팬을 구동시켜 단위전지의 최적 작동 온도편차 범위(Topt1)로 변화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 Tcrt1 은 4℃이고 Topt1 은 2℃인 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 전지팩은 전기자동차 또는 하이브리드 전기자동차의 동력원인 것을 특징으로 하는 방법.
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