KR20100113248A - 자동차 고전압 배터리의 냉각시스템 - Google Patents

자동차 고전압 배터리의 냉각시스템 Download PDF

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Abstract

이 발명은 하이브리드 자동차, 연료전지 자동차, 전기 자동차 등의 에너지 저장장치인 고전압 배터리를 냉각하는 냉각시스템에 관한 것이다.
이 발명에 따른 고전압 배터리의 냉각시스템은, 팬속도명령을 출력하는 CPU를 포함한 배터리제어기와, 일반 DC 모터와 모터구동트랜지스터를 포함한 냉각모듈을 포함한 배터리 냉각시스템에 있어서, 상기 일반 DC 모터의 (+)단자 전압과 (-)단자 전압이 상기 배터리제어기에 피드백되고, 상기 CPU가 상기 일반 DC 모터의 (+)단자 전압과 (-)단자 전압일 피드백받아 상기 팬속도명령을 소프트웨어적으로 조정한다.
하이브리드, 자동차, 배터리, 냉각, DC모터, 냉각팬

Description

자동차 고전압 배터리의 냉각시스템 {cooling system of a high voltage battery of a car}
이 발명은 자동차 고전압 배터리에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 하이브리드 자동차, 연료전지 자동차, 전기 자동차 등의 에너지 저장장치인 고전압 배터리를 냉각하는 냉각시스템에 관한 것이다.
하이브리드 자동차는 내연 엔진과 의 고전압 시스템을 동시에 장착하거나, 차체의 무게를 획기적으로 줄여 공기의 저항을 하는 등 기존의 일반 차량에 비해 연비(燃費) 및 유해가스 배출량을 획기적으로 줄인 차세대 자동차를 말한다.
하이브리드 자동차를 비롯하여 전기자동차나 연료전지 자동차에서 사용하는 에너지 저장장치인 고전압 배터리는 다수의 단위전지(모듈)를 직렬로 연결하여 고전압을 만들고 이를 이용하여 높은 전력을 발생시킨다.
하이브리드 자동차는 고전압 배터리, 인버터, 엔진, 모터, 미션으로 구성되는데, 고전압 배터리에 저장된 에너지를 인버터를 이용하여 모터에 전달하여 차량 시동, 가속, 엔진 고효율점 운행 등에 사용하고, 엔진에서 잉여 에너지가 발생하면 모터를 발전기로 이용하여 그 잉여 에너지를 고전압 배터리에 저장한다. 고전압 배터리와 인버터 사이의 온/오프 제어를 위하여 고전압 릴레이가 사용된다.
즉, 고전압 배터리는 하이브리드 자동차의 주행 중 엔진의 구동력을 보조하는 구동모터에 전기에너지를 공급하는 장치로서, 최소 직류전압이 약 220V 이상이고 충/방전되는 최대 전류가 약 100A 이상에서 제어되는 고에너지 저장시스템이다.
이러한 고전압 배터리 시스템을 안정적으로 제어하기 위하여, 배터리제어기는 차량 내부의 타 제어시스템 예컨대, 구동시스템(전기모터, 엔진 등), 차량제어시스템, 냉각시스템 등과 상호 통신을 하는데, 차량 운행 및 안전 제어를 위한 배터리 상태 정보를 제공하고, 배터리 보호를 위한 냉각 및 입/출력 제한 등 차량 운영에 필요한 최적 동작 환경을 조성하기 위한 제어를 수행한다.
배터리제어기는 고전압 배터리의 온도, 전압, 전류를 측정하고 이를 이용하여 저장 가능한 에너지 양이나 모터로 전달할 수 있는 에너지 양을 계산하여 타 제어시스템에게 전달함으로써, 하이브리드 자동차가 최적으로 제어되도록 한다. 이를 위하여 배터리제어기는 SOC(State of Charge), SOH(State of Health), 가용방전전력, 충전가능전력 등을 차량제어기에게 전달한다.
또한, 배터리제어기는 배터리의 사용환경을 최적화하기 위하여 온도센싱 및 냉각팬 제어를 통하여 배터리의 충방전 출력을 최상의 상태로 유지한다.
그리고, 배터리제어기는 냉각시 소요되는 필요 풍량을 예측하고 냉각시스템의 단수 제어를 통하여 소요파워를 최소화하도록 제어한다. 이렇게 제어하는 목적 은 하이브리드 자동차에서 12V 전장 부하의 저감은 절대적으로 연비 향상을 이룰 수 있기 때문이다.
하이브리드 자동차의 고전압 배터리는 사용 전류량이 상당히 크고, 그로 인해 내부에서 발생되는 열이 상당히 많다. 따라서, 하이브리드 자동차에는 고전압 배터리를 냉각하기 위한 냉각시스템을 장착할 필요가 있다.
도 1과 도 2는 현재 하이브리드 자동차에 적용되는 배터리냉각시스템을 도시한 도면으로서, 도 1은 일반 DC 모터를 사용하는 냉각모듈을 도시하고 도 2는 BLDC(Brushless DC)모터를 사용하는 냉각모듈을 도시한다.
도 1을 참조하면, 배터리제어기(battery ECU; BMS)(110)는 CPU(111)와, 팬릴레이제어스위치(112)와, 비교기(113)와, 이득조절기(114)와, 신호발생기(115)를 포함하여 구성된다. 냉각모듈(120)은 냉각팬릴레이(121)와, 모터(122)와, 퓨즈(123)와, 모터구동트랜지스터(124)를 포함하여 구성된다.
도 1의 냉각모듈의 동작을 간략하게 설명하면, 배터리제어기(110)의 CPU(111)는 이득조절기(114)에게 팬속도명령(Fan Speed Command)을 출력하고, 이득조절기(114)는 팬속도명령의 이득을 조절하여 비교기(113)를 통해 신호발생기(115)의 푸쉬풀(push-pull)회로에 전달한다. 그러면, 신호발생기(115)는 모터구동트랜지스터(124)에게 제어 전류를 출력한다. 이 제어 전류에 의해 모터(122)의 양단에 전압이 발생하게 되어 모터(122)가 구동된다. 그러면, 모터(122)에 입력되는 B+전압과 모터의 Motor(-) 전압이 비교기(113)에 입력되어 비교되며, 그 비교결과가 신호발생기(115)의 푸쉬풀회로에 피드백되고, 모터구동트랜지스터(124)에 출력되는 제어 전류가 조정된다. 이러한 냉각모듈의 제어는 하드웨어적으로 실시간으로 진행되며, 이러한 방식을 하드웨어 피드백 또는 아날로그 피드백 제어방식이라고 한다.
이러한 도 1의 냉각모듈은 일반 DC 모터를 사용하는 방법으로서, 자동차의 공조시스템 및 라지에이터 시스템에서 주로 사용되는 방법으로서, 초기 하이브리드 자동차에서 적용한 방법이다. 이러한 종래의 냉각모듈은 배터리를 냉각하기에는 문제가 없으나, 12V 전장부하를 증가시킴으로써 연비가 나빠지는 문제점이 있다. 또한, 배터리 냉각팬의 고장 진단 중 모터 록킹(locking)으로 인한 고장을 진단할 수 없는 문제점이 있다. 즉, 모터 록킹 시 배터리의 온도가 상승하면, 이를 모니터링하여 고장으로 진단하기 때문에, 배터리는 열적 충격을 받게 되고, 이러한 열적 충격에 의해 고전압 배터리 수명이 단축되는 문제점이 있다.
이러한 문제를 개선하기 위해 현재 양산되는 하이브리드 자동차는 도 2에 도시된 바와 같이 BLDC(brushless DC) 모터를 이용한 냉각모듈을 이용한다. 배터리제어기(210)는 CPU(211)와, 신호중간주파부(212)와, 모터구동트랜지스터(213)와, 팬릴레이제어스위치(214)를 포함하고, 냉각모듈은 냉각팬릴레이(221)와, BLDC모터및제어기(222)를 포함한다. CPU(211)는 팬릴레이제어스위치(214)를 구동하여 냉각팬릴레이(221)를 제어한다. BLDC모터및제어기(222)의 Motor(+)전압은 CPU(210)의 AD변환단자(AD Converter)로 입력되고, 모터속도(Motor Speed)는 신호중간주파부(212)를 통해 AD변환단자(AD Converter) 또는 PWM 입력단자(PWM input)에 입력된다. CPU(211)는 PWM 출력단자(PWM output)를 통해 팬속도명령(Fan Speed Command) 를 모터구동트랜지스터(213)에게 출력하여 BLDC모터및제어기(222)에 팬속도명령이 전달되도록 한다.
BLDC모터는 그 특성상 모터의 제어기가 내부에 일체화되어 있는 바, 이 발명에서는 BLDC모터및제어기로 명명한다. 이 BLDC모터및제어기는 자체 온도 모니터링기능과 모터속도 송출기능을 기본적으로 포함한다. 도 2의 구성에서 BLDC모터및제어기는 CPU로부터 팬속도명령이 입력되면 모터속도를 CPU에게 송출하는데, CPU는 팬속도명령과 모터속도를 비교하여 모터의 록킹을 비롯한 고장을 진단한다.
도 2에 도시된 종래의 냉각모듈은 모터의 고장을 바로 진단할 수 있으며, 전자파나 팬소음 등에서 우수한 특성을 갖는다. 그러나, BLDC모터는 일반 모터에 비해 5배 내지는 10배 정도 가격이 비싸기 때문에, 시스템의 가격이 상승하는 문제점이 있다.
이 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 이 발명의 목적은 일반 DC 모터를 사용하여 모터 록킹 고장을 진단함으로써 원가를 절감하면서 안정적인 냉각동작을 확보하고, 12V 전장부하를 저감하여 연비를 향상시키는 자동차 고전압 배터리의 냉각시스템을 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 목적을 이루기 위한 이 발명의 자동차 고전압 배터리의 냉각시스템은, 팬속도명령을 출력하는 CPU를 포함한 배터리제어기와, 일반 DC 모터와 모터구동트랜지스터를 포함한 냉각모듈을 포함한 배터리 냉각시스템에 있어서,
상기 일반 DC 모터의 (+)단자 전압과 (-)단자 전압이 상기 배터리제어기에 피드백되는 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 이 발명에 따르면 일반 DC 모터를 사용하더라도 모터 록킹(locking) 고장을 진단할 수 있기 때문에 냉각시스템의 안정적인 냉각 동작을 확보하고 원가를 절감할 수 있다. 또한, 12V 전장부하 저감을 위한 정밀제어를 통해 연비가 향상되고 정밀 제어에 따른 소음 저감 효과에 의해 상품성이 향상되는 효과가 있다.
이하, 이 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
도 3은 이 발명의 제 1 실시예에 따른 배터리 냉각시스템을 도시한 도면이다. 이 발명의 배터리 냉각시스템은 배터리제어부(310)와 냉각모듈(320)로 이루어진다. 배터리제어부(310)는 CPU(311)와, 팬릴레이제어스위치(312)와, 비교기(313)와, 이득조절기(314)와, 신호발생기(315)를 구비한다. 냉각모듈(320)은 냉각팬릴레 이(321)와, 일반 DC 모터(322)와, 퓨즈(323)와, 모터구동트랜지스터(324)를 구비한다.
도 3의 각 구성요소의 기능은 도 1의 대응되는 구성요소의 기능과 동일하다. 다만, 도 1에서는 고전압 배터리의 B+ 전압과 모터의 -단자(Motor(-)) 전압이 비교기(113)에 피드백되나, 도 3에서는 모터의 +단자(Motor(+)) 전압과 -단자(Motor(-)) 전압이 비교기(313)에 피드백된다.
하이브리드 자동차는 일반적인 도심 주행에서 배터리 사용량이 적고, 냉각 풍량이 적게 소요된다. 즉, 냉각팬을 저단영역인 2V 내지 4V 수준으로 동작시키면 된다. 이때, 냉각팬을 중단이나 고단으로 동작시키면 자동차는 저속으로 움직이기 때문에 냉각팬 소음이 커져서 상품성이 떨어진다. 아울러, 모터가 낮은 전압으로 동작하기 때문에 전압강하에 의해 실제 요구되는 풍량보다 더 적은 풍량이 발생한다. 따라서, 이론적인 풍량은 적절한데 실제 풍량이 적고, 이를 보상하기 위해 모터의 구동단수를 높임으로써, 모터의 구동 단수가 일정하지 않고 계속적으로 변화하여 소음이 커지고 이로써 상품성이 더욱 악화된다.
도 3은 이러한 문제를 해결하기 위한 방안으로서, 배터리제어기 비교기(313)에 인가되는 피드백전압을 B+전압이 아니라 모터의 +단자(Motor(+)) 전압으로 설정하여 라인의 전압강하의 영향을 배제한다. 다른 구성요소들의 기능은 도 1과 동일하기 때문에 자세한 동작 설명은 생략한다.
도 4는 이 발명의 제 2 실시예에 따른 배터리 냉각시스템을 도시한 도면이다. 도 4의 배터리 냉각시스템은 배터리제어기(410)와, 냉각모듈(420)로 이루어진다. 배터리제어기(410)는 CPU(411)와, 팬릴레이제어스위치(412)와, 신호발생기(413)를 구비한다. CPU(411)는 2개의 AD변환단자를 더 구비하여 모터의 +단자(Motor(+)) 전압과 -단자(Motor(-)) 전압을 입력받고, 비교하여 피드백연산을 수행한다. 즉, 도 3에 도시된 제 1 실시예에 따른 배터리 냉각시스템의 비교기(313)와 이득조절기(314)의 기능을 도 4의 제 2 실시예에서는 CPU(411)가 소프트웨어적으로 처리한다. 냉각모듈(420)은 냉각팬릴레이(421)와, 일반 DC 모터(422)와, 퓨즈(423)와, 모터구동트랜지스터(424)를 구비한다. 냉각모듈(420)의 각 구성요소들의 기능은 도 3의 냉각모듈(320)의 대응되는 구성요소들의 기능과 동일하다.
일반적으로 모터의 속도를 일정하게 제어하기 위하여 피드백제어를 하는데, 도 4의 배터리 냉각시스템은 배터리제어기의 피드백제어 부분을 소프트웨어적으로 변환하여, 원가절감을 이룰 수 있다.
도 5는 이 발명의 제 3 실시예에 따른 배터리 냉각시스템을 도시한 도면이다. 이 제 3 실시예에 따른 배터리 냉각시스템은 배터리제어기(510)와 냉각모듈(520)로 이루어지는데, 배터리제어기(510)는 CPU(511)와, 팬릴레이제어스위치(512)와, 신호발생기(513)를 구비하고, 냉각모듈(520)은 냉각팬릴레이(521)와, 모터(522)와, 퓨즈(523)와, 퓨즈(523)의 온도를 측정하는 온도센서(524)와, 모터구동트랜지스터(525)를 구비한다. CPU(511)는 AD변환단자를 더 구비하여 온도센서(524)에서 측정한 퓨즈(523)의 온도정보를 수신하여 모터의 록킹 등의 고장을 검출한다. CPU(511)와 온도센서(524)를 제외한 다른 구성요소들은 도 4에 도시된 제 2 실시예에 따른 배터리 냉각시스템의 대응되는 구성요소들과 기능이 동일하다.
도 6은 이 발명의 제 4 실시예에 따른 배터리 냉각시스템을 도시한 도면이다. 도 6에 도시된 제 4 실시예에 따른 배터리 냉각시스템은 도 4에 도시된 제 2 실시예에 따른 배터리 냉각시스템의 냉각모듈(420)에서, 모터(422)와 퓨즈(423) 사이에 피티씨(PTC; Positive Temperature Coefficent)(60)를 추가로 연결한 것이다. 이 도 6의 배터리 냉각시스템은 모터 록킹시 모터의 +단자(Motor(+)) 전압과 -단자(Motor(-)) 전압이 바뀌기 때문에, 배터리제어기의 CPU(411)는 모터 록킹을 감지할 수 있게 된다. 도 6에 도시된 제 4 실시예에 따른 배터리 냉각시스템은 도 5에 도시된 제 3 실시예에 따른 배터리 냉각시스템과 동일하게 원가를 절감하면서 모터의 록킹 고장을 검출할 수 있다.
도 6의 제 4 실시예에서, 피티씨(60)가 모터 록킹을 감지하고, 배터리 냉각시스템의 단락(short)는 차량시스템의 퓨즈에 의해 보호될 수 있기 때문에, 퓨즈(423)를 생략할 수 있으며, 이로써 원가를 더욱 절감할 수 있다.
도 1은 종래의 하이브리드 자동차에 적용되는 배터리 냉각시스템을 도시한 도면으로서, 일반 DC 모터를 사용하는 냉각모듈을 도시하고,
도 2는 종래의 하이브리드 자동차에 적용되는 배터리 냉각시스템을 도시한 도면으로서, BLDC(Brushless DC)모터를 사용하는 냉각모듈을 도시하고,
도 3은 이 발명의 제 1 실시예에 따른 배터리 냉각시스템의 구성도이고,
도 4는 이 발명의 제 2 실시예에 따른 배터리 냉각시스템의 구성도이고,
도 5는 이 발명의 제 3 실시예에 따른 배터리 냉각시스템의 구성도이고,
도 6은 이 발명의 제 4 실시예에 따른 배터리 냉각시스템의 구성도이다.

Claims (5)

  1. 팬속도명령을 출력하는 CPU를 포함한 배터리제어기와, 일반 DC 모터와 모터구동트랜지스터를 포함한 냉각모듈을 포함한 배터리 냉각시스템에 있어서,
    상기 일반 DC 모터의 (+)단자 전압과 (-)단자 전압이 상기 배터리제어기에 피드백되는 것을 특징으로 하는 자동차 고전압 배터리의 냉각시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 CPU가 상기 일반 DC 모터의 (+)단자 전압과 (-)단자 전압일 피드백받아 상기 팬속도명령을 조정하는 것을 특징으로 하는 자동차 고전압 배터리의 냉각시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 냉각모듈은 상기 일반 DC 모터와 상기 모터구동트랜지스터 사이에 퓨즈와, 상기 퓨즈의 온도를 측정하여 상기 CPU에게 제공하는 온도센서를 더 포함한 것을 특징으로 하는 자동차 고전압 배터리의 냉각시스템.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 냉각모듈은 상기 일반 DC 모터의 상기 모터구동트랜지스터 사이에 피티씨를 더 포함한 것을 특징으로 하는 자동차 고전압 배터리의 냉각시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 냉각모듈은 상기 피티씨와 상기 모터구동트랜지스터사이 에 퓨즈를 더 포함한 것을 특징으로 하는 자동차 고전압 배터리의 냉각시스템.
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