KR20130047010A - 차량용 배터리 온도조절장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

전기자동차 또는 주행거리 확장형 전기자동차(Range Extender EV 또는 Plug-in Hybrid EV)에서 배터리 온도를 운전자가 재운행을 시작하기 전에 일정 범위로 조절하여 운전자가 운행을 재기할 때 차량 성능에 제한이 없도록 하기 위한 차량용 배터리 온도조절방법이 개시된다.
개시된 차량용 온도조절방법은, 시동키 검출부를 통해 시동키를 검출한 결과 시동키가 오프된 상태이면, 배터리 온도센서를 통해 배터리 온도를 측정하는 제1단계와; 상기 배터리 온도와 배터리의 온도 조절을 위해 미리 설정된 제1 및 제2 설정온도를 비교하여, 상기 배터리 온도가 상기 제1 및 제2 설정 온도 영역에 존재하지 않을 경우, 통신모듈을 통해 운전자에게 운행 재개 시간을 요청하는 제2단계와; 요청한 운행 개개 시간이 획득되면, 운전 재개 시간에 맞춰 배터리 히팅 또는 냉각 장치를 제어하여 배터리의 온도를 조절하는 제3단계를 수행하여, 배터리의 온도를 차량 운행 재개 시간에 맞추어 최적으로 맞출 수 있게 되는 것이다.

Description

차량용 배터리 온도조절장치 및 그 방법{Apparatus for control battery temperature using vehicle and method thereof}

본 발명은 차량용 배터리 온도조절에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기자동차 또는 주행거리 확장형 전기자동차(Range Extender EV 또는 Plug-in Hybrid EV)에서 배터리 온도를 운전자가 재운행을 시작하기 전에 일정 범위로 조절하여 운전자가 운행을 재기할 때 차량 성능에 제한이 없도록 하기 위한 차량용 배터리 온도조절장치 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 전기자동차 또는 주행거리 확장형 전기자동차는 주행을 하기 위한 모터와 모터를 제어하는 인버터회생제동이 가능한 브레이크 시스템과 모터에 전기에너지를 공급할 수 있는 배터리 등으로 구성되어 있다. 또한, 내연기관을 이용하는 일반적인 차량에서의 냉방과 난방은 내연기관에 벨트로 연결되어 내연기관의 회전에너지로 압축기를 회전시켜 냉방을 하게 되며, 내연기관의 폐열을 흡수하는 냉각수를 이용하거나 공기를 전기로 데워서 난방을 하게 된다. 하지만, 전기자동차나 주행거리 확장형 전기자동차에는 난방을 위한 내연기관의 폐열을 얻을 수 없다(주행거리 확장형 전기자동차의 경우 근거리 이동 시에는 내연기관이 동작하지 않기 때문에 내연기관의 폐열을 얻을 수 없게 된다).

또한, 구동용 전기모터에 전기적인 에너지를 공급하는 배터리는 출력과 에너지 측면에서 상온(약 25℃)에서 가장 좋은 성능을 나타내게 되며, 온도가 낮아지면 충전과 방전 능력이 상온에 비해 현격히 떨어지게 된다. 이런 이유로 전기자동차용 배터리 시스템에는 배터리 온도를 상온에 가깝게 조절하기 위한 배터리 냉난방 장치가 장착되는 경우가 많다. 만약 배터리 온도 조절 장치가 없는 경우 낮은 온도에서 전기자동차를 장시간 주차하게 되면 배터리 온도가 떨어지게 되어 운전자가 가속 페달을 밟아도 전기자동차가 제대로 움직이지 못하는 문제가 발생할 수 있다. 이런 이유로 전기자동차용 배터리는 온도가 낮은 경우 데워진 물이나 공기를 배터리 케이스 혹은 내부에까지 흘려 배터리 온도를 원하는 범위로 올려주고, 배터리 난방과 냉방을 위한 에너지원은 배터리가 된다. 예를 들면, 배터리 난방을 위해 공기나 물을 데우는 에너지는 배터리로부터 공급이 된다.

도 1에 일반적인 전기자동차의 배터리 온도조절장치의 예시가 도시되어 있다. 도 1에 도시된 배터리 온도조절장치는 미국 GM의 볼트(Volt) 주행거리 확장형 전기자동차의 배터리 냉각 및 히팅 장치로서 냉각과 히팅에 필요한 에너지는 360V 배터리로부터 얻게 되는 것을 알 수 있다.

전기자동차와 운전자는 별도의 인터페이스 장치를 통해 스마트폰이나 태블릿C와 같은 장치를 통해 유선과 무선으로 데이터를 주고 받을 수 있다. 이는 전기자동차뿐만 아니라 일반 차량에 이미 적용되고 있는 기술이기도 하다. 유선으로 통신하는 경우 별도의 케이블이 필요하며 무선 통신인 경우 기존의 상용 무선 네트워크를 사용하게 된다. 무선 네트워크를 사용할 경우 원거리에서 운전자는 원하는 차량의 데이터를 얻을 수 있고 차량제어기에 원하는 명령을 전달할 수 있다.

전기자동차 혹은 플러그인 하이브리드 전기자동차에 적용된 배터리 내부에는 배터리 내부 온도를 측정하는 온도 센서와 배터리 단전지 전압을 측정하는 단전지 전압 측정 장치가 포함되어 있다. 배터리 온도 조절 장치는 배터리 내부 온도가 일정 범위 내에 있도록 난방과 히팅이 모두 가능하며 필요한 에너지는 배터리로부터 얻는다.

낮은 기온에서 배터리가 장착된 전기자동차를 장시간 방치한 후 다시 차량을 움직이는 경우, 차량 내부의 배터리 온도가 일정 이하로 떨어지게 되어 배터리의 충방전 능력이 떨어진 상태에서 차량이 가속과 감속 및 정지하게 되면서 배터리가 충전과 방전을 반복하게 되어 배터리 내부 저항에 의해 발열이 발생하고 배터리 온도가 상온에 가깝게 되면 배터리는 자신이 가지고 있는 최대 성능을 발휘하게 된다. 온도가 일정이상 올라가게 되면 배터리 냉각 장치가 동작을 하여 배터리 온도가 일정 이상으로 올라가는 것을 방지하게 된다. 어떤 전기자동차 배터리에는 예열 장치 장치가 붙어 있어 배터리 온도가 낮은 상태에서 차량 운행을 시작할 경우 히팅 장치가 동작하여 배터리 온도를 일정 시간 이내에 올려주어 배터리 성능을 향상시키도록 한다. 그러나 앞에서 언급했듯이 배터리 히팅 장치의 열원 또한 배터리이므로 낮은 온도에서 급격한 히팅은 배터리에 무리를 줄 수 있다.

도 2는 종래 차량제어기에서 배터리 출력을 제한하는 과정을 보인 흐름도로서, 키-온(Key-on) 상태인지를 확인하여(S11), 키-온 상태이면 배터리 온도 센서를 통해 배터리 온도를 측정하게 된다(S12).

그리고 상기 측정한 배터리 온도를 배터리 출력을 제한하기 위해서 미리 설정해 놓은 최저 설정온도(T1) 및 최고 설정온도(T1)와 비교하여(S13), 상기 측정한 배터리 온도가 상기 최저 설정 온도와 최고 설정 온도의 범위 내에 존재하면(T1 < 배터리 온도 < T2) 배터리의 출력을 제한하지 않고 정상 출력이 이루어지도록 한다(S15). 이와는 달리 상기 측정한 배터리 온도가 상기 최저 설정온도와 최고 설정 온도의 범위 내에 존재하지 않으면 배터리의 출력을 제한하게 된다(S14).

그러나 상기와 같은 종래의 차량제어기에서 배터리 출력을 제한하는 방법은, 배터리 온도가 낮은 경우 배터리 충방전 능력이 현격히 떨어지게 되므로 전기자동차의 출력을 제한하는 방식을 이용한다. 즉, 배터리 온도가 일정온도 이하로 떨어지게 되면 전기자동차의 차량제어기는 배터리 출력에 제한을 두어 배터리의 손상을 방지하게 되며, 운전자는 배터리 온도가 일정 이상으로 올라와 배터리가 정상적인 출력을 낼 수 있을 때까지 제한된 차량의 성능으로만 운전을 해야 하는 제약이 따른다. 예를 들어, 겨울철 낮은 기온에서 고속도로 휴게소에서 장시간 주차를 한 후 다시 출발을 한다면 배터리 온도가 떨어진 상태이므로 차량의 출력은 제한될 것이고 운전자는 차량을 정상적으로 가속하여 고속도로에 진입하기에 어려움이 있을 것이다. 또한, 종래의 기술은 배터리 온도가 일정 이상으로 높은 경우에도 배터리 출력은 제한되며 배터리 온도가 일정 범위 내로 유지될 때까지 배터리 출력은 제한받는 문제점을 초래하였다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래 차량에서 배터리 출력을 제한하는 방법에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서,

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 전기자동차 또는 주행거리 확장형 전기자동차(Range Extender EV 또는 Plug-in Hybrid EV)에서 배터리 온도를 운전자가 재운행을 시작하기 전에 일정 범위로 조절하여 운전자가 운행을 재기할 때 차량 성능에 제한이 없도록 하기 위한 차량용 배터리 온도조절장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 전기자동차 또는 주행거리 확장형 전기자동차를 낮은 온도에서 장시간 방치한 후 다시 운행하고자 할 때 배터리 저온 특성에 의해 배터리의 충방전 능력이 제한되어 발생하는 차량의 동력 제한문제를 방지하도록 한 차량용 배터리 온도조절장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 과제들을 해결하기 위한 본 발명에 따른 "차량용 배터리 온도조절방법"은,

시동키 검출부를 통해 시동키를 검출한 결과 시동키가 오프된 상태이면, 배터리 온도센서를 통해 배터리 온도를 측정하는 제1단계와;

상기 배터리 온도와 배터리의 온도 조절을 위해 미리 설정된 제1 및 제2 설정온도를 비교하여, 상기 배터리 온도가 상기 제1 및 제2 설정 온도 영역에 존재하지 않을 경우, 통신모듈을 통해 운전자에게 운행 재개 시간을 요청하는 제2단계와;

요청한 운행 개개 시간이 획득되면, 운전 재개 시간에 맞춰 배터리 히팅 또는 냉각 장치를 제어하여 배터리의 온도를 조절하는 제3단계를 포함한다.

상기 제3단계는,

배터리의 온도를 상기 제1 및 제2 설정온도 영역에 존재하도록 배터리를 히팅 또는 냉각시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 겨울철과 같이 기온이 낮은 경우 운전자는 운행을 마치고 차에서 내릴 때 자신이 차로 다시 돌아와 차량을 운행할 예정 시간을 차량 제어기에 입력하고, 차량 제어기는 운전자가 다시 운행하기 위해 예약해 둔 시간에 맞춰 배터리 온도를 조절함으로써, 항상 운전자가 다시 운행을 시작할 때 배터리 온도가 정상출력을 낼 수 있는 온도로 유지할 수 있는 장점이 있다.

이로 인해 운전자가 운행을 재기할 때 차량 성능에 제한받는 단점을 해소하게 되는 것이다.

도 1은 일반적인 전기자동차의 배터리 온도조절장치의 예시도.
도 2는 종래 전기자동차에서 배터리 온도에 따른 출력 제한 과정을 보인 흐름도.
도 3은 본 발명에 따른 차량용 배터리 온도 조절장치의 개략 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 차량용 배터리 온도조절방법을 보인 흐름도.
도 5a는 배터리 온도별 SOC별 방전 출력 특성 예시도.
도 5b는 배터리 온도별 SOC별 충전 특성 예시도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명하기에 앞서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명은 전기자동차를 낮은 온도에서 장시간 방치한 후 다시 운행하고자 할 때 배터리 저온 특성에 의해 배터리의 충방전 능력이 제한되고 결국 차량의 동력이 제한되는 문제를 방지하고자 함이다.

도 3은 본 발명에 따른 차량용 배터리 온도조절장치의 개략 구성도로서, 배터리 온도센서(110), 통신모듈(120), 차량 제어기(130), 메모리(140), 배터리 히팅 및 냉각 장치(150), 시동키 검출부(160)로 구성된다.

배터리 온도센서(110)는 배터리의 온도를 측정하여 차량 제어기에 전달하는 역할을 하며, 통신 모듈(120)은 차량 제어기(130)의 제어에 따라 운전자의 단말기(스마트폰, 태블릿 PC, 기타 등등)와 통신을 수행하여 운행 재개 시간을 입력받아 상기 차량 제어기(130)에 전달하는 역할을 한다.

시동키 검출부(160)는 시동키의 온 또는 오프를 검출하여 그 검출 결과를 차량 제어기(130)에 전달하는 역할을 하며, 차량 제어기(130)는 시동키가 오프로 검출되면 통신 모듈(120)을 제어하여 운전자 단말기로 운행 재개 시간의 입력을 요청하고, 상기 운전자 단말기로부터 전송된 운행 재개 시간을 메모리(140)에 저장하며, 배터리 온도 센서(110)로부터 측정한 배터리 온도와 메모리(140)에 저장한 운행 재개 시간을 기반으로 배터리의 히팅 및 냉각을 제어하여 운행 재개 시간에 맞추어 배터리의 온도를 일정 온도 범위로 맞추어주는 역할을 한다.

배터리 히팅 및 냉각 장치(150)는 상기 차량 제어기(130)의 제어에 따라 배터리의 히팅 또는 냉각을 수행하여, 배터리 온도를 조절하는 역할을 한다.

도 4는 본 발명에 따른 "차량용 배터리 온도조절방법"을 보인 흐름도로서, 차량 제어기(130)에서 수행되는 제어 과정을 보인 것이다.

이에 도시된 바와 같이, 시동키 검출부를 통해 시동키를 검출한 결과 시동키가 오프된 상태이면, 배터리 온도센서를 통해 배터리 온도를 측정하는 제1단계(S101 ~ S102)와; 상기 배터리 온도와 배터리의 온도 조절을 위해 미리 설정된 제1 및 제2 설정온도를 비교하여, 상기 배터리 온도가 상기 제1 및 제2 설정 온도 영역에 존재하지 않을 경우, 통신모듈을 통해 운전자에게 운행 재개 시간을 요청하는 제2단계(S103 ~ S104)와; 요청한 운행 개개 시간이 획득되면, 운전 재개 시간에 맞춰 배터리 히팅 또는 냉각 장치를 제어하여 배터리의 온도를 조절하는 제3단계(S105 ~ S106)로 이루어진다.

이와 같이 이루어지는 본 발명에 따른 차량용 배터리 온도조절장치 및 그 방법은, 겨울철과 같이 기온이 낮은 경우 운전자는 운행을 마치고 차에서 내릴 때 자신이 차로 다시 돌아와 차량을 운행할 예정 시간을 차량제어기에 입력을 해 주면 차량제어기는 운전자가 다시 운행하기 위해 예약해 둔 시간에 맞춰 배터리 온도를 천천히 올려 운전자가 다시 운행을 시작할 때 배터리 온도가 정상출력을 낼 수 있는 온도까지 상승하도록 하는 것이다.

낮은 온도에서 배터리 온도를 올리기 위해 필요한 열원 또한 배터리로부터 나오는 것이므로 배터리 온도를 항상 일정 온도로 유지하는 것은 배터리의 축적 에너지를 너무 많이 소모하므로 운전자가 돌아오는 시간에 맞춰 배터리 온도를 배터리에 무리가 없을 정도로 천천히 히팅하는 것이 중요하다.

본 발명은 배터리 온도를 운전자가 재운행을 시작하기 전에 일정 범위 내로 맞추어 두어 운전자가 운행을 재기할 때 차량 성능에 제한이 없도록 하는 것이다.

이를 위해서 단계 S101에서 차량 제어기(130)는 시동키 검출부(160)를 통해 시동키가 오프되는지를 확인한다. 이 확인 결과 시동키가 오프된 경우에는 단계S102로 이동하여 배터리 온도센서(110)를 이용하여 배터리의 온도를 측정하게 된다.

배터리 온도를 측정한 후에는 단계 S103으로 이동하여 측정한 배터리 온도가 배터리 온도 조절을 위해 미리 설정한 제1설정온도(T1) 및 제2 설정온도(T2)의 범위 내에 존재하는지를 확인한다.

여기서 제1설정온도 및 제2설정온도의 범위는 실험에 의해 설정하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 실험에 따른 도 5a에 도시한 배터리 온도별 SOC별 방전 출력 특성 예시나 도 5b에 도시한 배터리 온도별 SOC별 충전 특성 예시를 보면, 배터리 온도가 25℃를 유지할 때 방전 출력 특성이나 출전 특성이 최적화됨을 알 수 있으며, 배터리 온도가 0℃이거나 -10℃일 경우에는 방전 출력 특성이나 충전 특성이 현저하게 떨어져 차량 성능에 제한을 주는 것을 알 수 있다.

따라서 본 발명에서는 제1 및 제2 설정온도를 25℃에 근접하게 설정하여 메모리(140)에 저장하고, 배터리 온도가 측정되면 상기 측정한 배터리 온도가 상기 제1 및 제 설정온도 영역에 존재하는지 아니면 상기 제1 및 제2 설정온도 영역을 벗어나는지를 확인하게 된다.

이 확인 결과 배터리 온도가 상기 제1 및 제2 설정온도 영역에 존재할 경우(T1 < 배터리 온도 < T2)에는, 배터리 온도를 측정하고 측정한 배터리 온도를 제1 및 제2 설정온도와 비교하는 단계를 반복 수행하고, 상기 배터리 온도가 상기 제1 및 제2 설정 온도 영역을 벗어난 경우에는 단계S104로 이동하여 통신 모듈(120)을 통해 운전자 단말기(스마트폰, 태블릿 PC, 기타 등등)와 통신을 통해 운전자에게 운행 재개 시간을 요청하게 된다. 여기서 운행 재개 시간의 요청방법은 메모리에 운행 재개 시간을 요청하는 데이터를 저장하고, 통신 모듈(120)을 통해 운전자 단말기로 상기 저장한 데이터를 전송하게 된다. 여기서 운전자 단말기와의 통신은 모바일 네트워크를 통해 수행하는 것이 바람직하다.

운전자는 운전자 단말기를 통해 운행 재개 시간을 요청하는 메시지를 수신하면, 운전자 단말기를 통해 운행 재기 시간을 전송하게 된다.

단계 S105에서 차량 제어기(130)는 운행 재개 시간을 획득하게 되면 이를 메모리에 저장하고, 주기적으로 메모리에 저장한 운행 재개 시간을 확인하여, 단계S106과 같이 운전 재개 시간에 맞춰 배터리의 온도를 상기 제1 및 제2 설정온도 범위로 맞추게 된다. 이렇게 하면 운전자가 차량을 운행할 때 전기자동차의 성능 저하 없이 차량을 운행할 수 있게 되는 것이다.

여기서 운전자는 자신이 다시 차량 운행을 시작하기로 예약한 시각과 다른 시간에 차량 운행을 하게 되는 경우, 스마트폰이나 태블릿 PC등으로 차량 운행 예약 정보를 수정하거나 취소할 수 있다. 아울러 상기 배터리 온도가 일정온도 이상으로 높은 경우에도 배터리 냉각 장치를 제어하여 일정온도로 맞추게 된다.

또한, 본 발명은 다른 실시 예로서 차량 제어기에서 배터리 온도를 통신 모듈을 통해 운전자 단말기로 전송하고, 운전자 단말기는 이를 화면에 표시해주어 운전자가 배터리 온도를 인지하도록 한다.

110 : 배터리 온도센서 120 : 통신 모듈
130 : 차량 제어기 140 : 메모리
150 : 배터리 히팅 및 냉각 장치 160 : 시동키 검출부

Claims (4)

1. 시동키 검출부를 통해 시동키를 검출한 결과 시동키가 오프된 상태이면, 배터리 온도센서를 통해 배터리 온도를 측정하는 제1단계와;
   상기 배터리 온도와 배터리의 온도 조절을 위해 미리 설정된 제1 및 제2 설정온도를 비교하여, 상기 배터리 온도가 상기 제1 및 제2 설정 온도 영역에 존재하지 않을 경우, 통신모듈을 통해 운전자에게 운행 재개 시간을 요청하는 제2단계와;
   요청한 운행 개개 시간이 획득되면, 운전 재개 시간에 맞춰 배터리 히팅 또는 냉각 장치를 제어하여 배터리의 온도를 조절하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 온도조절방법.
   
2. 청구항 1에 있어서, 상기 제3단계는,
   배터리의 온도를 상기 제1 및 제2 설정온도 영역에 존재하도록 배터리를 히팅 또는 냉각시키는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 온도조절방법.
   
3. 배터리의 온도를 측정하는 배터리 온도센서와;
   운전자 단말기와 통신을 수행하여 운행 재개 시간을 입력받는 통신 모듈과;
   시동키의 온 또는 오프를 검출하여 그 검출 결과를 출력하는 시동키 검출부와;
   상기 시동키 검출부를 통해 시동키가 오프로 검출되면 상기 통신 모듈을 제어하여 운전자 단말기로 운행 재개 시간의 입력을 요청하고, 상기 운전자 단말기로부터 전송된 운행 재개 시간을 메모리에 저장하며, 상기 배터리 온도 센서로부터 측정한 배터리 온도와 메모리에 저장한 운행 재개 시간을 기반으로 배터리의 히팅 및 냉각을 제어하여 운행 재개 시간에 맞추어 배터리의 온도를 일정 온도 범위로 제어하는 차량 제어기와;
   상기 차량 제어기의 제어에 따라 배터리의 히팅 또는 냉각을 수행하여, 배터리 온도를 조절하는 배터리 히팅 및 냉각 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 온도조절장치.
   
4. 청구항 3에 있어서, 상기 운전자 단말기는 상기 차량 제어기와 통신을 통해 배터리 온도를 표시해주는 스마트폰 또는 태블릿 퍼스널컴퓨터(PC) 중 어느 하나로 구현되는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 온도조절장치.

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