KR20140091624A - 배터리 온도 관리 장치를 포함하는 배터리 팩 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

배터리 온도 관리 장치를 포함하는 배터리 팩 시스템 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리 온도 관리 장치를 포함하는 배터리 팩 시스템 및 그의 제어방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르는 배터리 온도 관리 장치를 포함하는 배터리 팩 시스템의 제어방법은, 모터를 포함하는 차량용 전기 또는 전자 장치로 전력을 공급하며, 펌프에 의하여 순환되는 냉매와의 열교환에 의하여 그 온도가 조절되는 배터리의 충전 상태를 검출하는 단계, 검출된 충전 상태가 소정의 최저 충전치 이상일 경우, 상기 배터리 온도가 최저 온도 및 최대 온도 사이에 있도록, 저젼력 냉각기, 고전력 냉각기, 히터, 및 상기 펌프를 포함하는 배터리 온도 관리 장치를 제어하는 고전력 온도 제어 단계, 및 검출된 충전 상태가 상기 최저 충전치 미만일 경우, 상기 배터리 온도 관리 장치의 동작 조건 또는 동작 상태를 조절함으로써, 상기 배터리 온도 관리 장치의 소비 전력을 감소시키면서 상기 배터리 온도가 상기 최저 온도 및 상기 최대 온도 사이에 있도록 상기 배터리 온도 관리 장치를 제어하는 저전력 온도 제어 단계를 포함하여 구성된다. 본 발명에 의하여 저전력 상태일 때 전력 소모를 줄이면서 배터리 온도를 관리할 수 있다.

Description

배터리 온도 관리 장치를 포함하는 배터리 팩 시스템 및 그 제어 방법{Battery pack system including Battery Thermal Management System and control method thereof}
본 발명은 배터리 온도 관리 장치를 포함하는 배터리 팩 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
가솔린이나 중유를 주 연료로 사용하는 내연 엔진을 이용하는 자동차는 대기오염 등 공해 발생에 심각한 영향을 주고 있다. 따라서 최근에는 공해 발생을 줄이기 위하여, 전기 자동차 또는 하이브리드(Hybrid) 자동차의 개발에 많은 노력을 기울이고 있다.
전기 자동차는 배터리에서 출력되는 전기 에너지에 의해 동작하는 배터리 엔진을 이용하는 자동차이다. 이러한 전기 자동차는 충방전이 가능한 다수의 2차 배터리 셀들이 모여서 이루어지는 배터리 팩을 주동력 원으로 이용하기 때문에 배기가스가 전혀 없으며 소음이 아주 작은 장점이 있다.
한편, 하이브리드 자동차라 함은 내연 엔진을 이용하는 자동차와 전기 자동차의 중간 단계의 자동차로서, 두 가지 이상의 동력원, 예컨대 내연 엔진 및 배터리 모터를 사용하는 자동차이다. 현재에는, 내연 엔진과 수소와 산소를 연속적으로 공급하면서 화학반응을 일으켜 직접 전기 에너지를 얻는 연료 전지를 이용하거나, 배터리와 연료 전지를 이용하는 등 혼합된 형태의 하이브리드 자동차가 개발되고 있다.
이와 같이, 전기자동차 및 하이브리드 자동차에 사용되는 배터리는 차량의 주 동력원으로서 차량의 작동에 직접적인 영향을 주는 부품이다. 배터리에 대한 관리 시스템(Battery Management System, BMS)은 대부분의 차량에 탑재되어 있으며, 주행 과정 중 생기는 배터리의 상태 및 필요 전력의 변화에 따라 배터리를 통제하는 역할을 수행한다.
주행 과정에서 배터리가 겪게 되는 상태 변화 중 가장 크게 변화가 생기는 것은 배터리 충전량과 온도이다. 차량 구동 시 배터리에서는 구동에 사용되는 부품 작동을 위한 방전과 회생제동에 의한 충전이 일어난다. 이 과정들은 전기화학적 반응을 필요로 하며, 그 결과 발생하는 에너지 손실에 의해 배터리의 온도는 증가한다.
그런데, 배터리의 온도는 안전 및 수명, 그리고 출력 전압의 측면에서 큰 영향을 미치는 요소이다. 따라서, 배터리 관리 시스템의 일부인 배터리 온도 관리 시스템(Battery Thermal Management System, BTMS)이 온도를 적정 범위 내에서 유지시켜 배터리의 효과적인 사용을 위하여 채택된다. 배터리 온도 관리 시스템은 냉매와 배터리 사이의 열 교환을 통해 배터리의 온도를 조절한다. 팬(Fan), 라디에이터(Radiator), 냉각기(Chiller), 펌프(Pump), 히터(Heater)등의 장치가 열 조절을 위해 추가적으로 사용된다.
그런데, 종래의 배터리 온도 관리 시스템들은 배터리의 온도 변화에만 집중하여 각 장치들을 작동시키는 방식으로 동작한다. 온도가 크게 상승했을 경우에는 냉각기, 적게 상승했을 때는 라디에이터와 팬, 원하는 온도 이하일 때는 히터가 작동하는 등 각 시점에서의 온도를 측정하여 그에 따른 제어가 이루어진다. 이 방식은 온도 제어라는 측면에 있어서는 문제가 없으나, 배터리의 충전량이 적은 상태에서도 같은 방식의 제어가 이루어진다는 단점을 가지고 있다.
또한, 배터리 온도 관리 시스템에서 사용되는 장치들은 많은 전력을 필요로 한다. 특히 히터와 냉각기의 경우 그 사용량이 무시할 수 없는 수준이다. 이 장치들이 사용하는 전력은 결국 배터리에서 나오게 되며, 배터리의 온도와 충전량 간에 트레이드오프가 존재한다. 배터리 사용 초기 충전량이 많을 때는 이로 인한 문제가 적지만, 충전량이 줄어들어 차량 주행에 필요한 전력 공급이 어려워질 경우에는 온도 관리 시스템의 소모 전력 역시도 무시할 수 없다.
그러므로, 배터리 온도 뿐만 아니라, 배터리의 충전 상태를 함께 고려하여 배터리 온도 관리 시스템이 불필요하게 전력을 많이 소모하지 않으면서도 효율적으로 배터리 온도를 관리할 수 있도록 하는 기술이 절실히 요구된다.
국내공개특허 2012-0117470호
본 발명의 목적은 전기 자동차(Electric Vehicle, EV) 및 하이브리드 자동차(Hybird Electric Vehicle, HEV)에 사용되는 배터리 온도를, 배터리 온도 뿐만 아니라 배터리의 충전 상태를 함께 고려하여 관리할 수 있는 배터리 온도 관리 장치를 포함하는 배터리 팩 시스템의 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 배터리의 온도 및 충전 상태를 고려하여, 온도 관리 시스템의 능동적인 제어를 통해 평상시 및 저충전 상태에서 특정 범위 내로의 온도 조절을 만족시키는 배터리 온도 관리 장치를 포함하는 배터리 팩 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 배터리 온도 관리 장치를 포함하는 배터리 팩 시스템의 제어 방법은, 모터를 포함하는 차량용 전기 또는 전자 장치로 전력을 공급하며, 펌프에 의하여 순환되는 냉매와의 열교환에 의하여 그 온도가 조절되는 배터리의 충전 상태를 검출하는 단계, 검출된 충전 상태가 소정의 최저 충전치 이상일 경우, 상기 배터리 온도가 최저 온도 및 최대 온도 사이에 있도록, 저젼력 냉각기, 고전력 냉각기, 히터, 및 상기 펌프를 포함하는 배터리 온도 관리 장치를 제어하는 고전력 온도 제어 단계, 및 검출된 충전 상태가 상기 최저 충전치 미만일 경우, 상기 배터리 온도 관리 장치의 동작 조건 또는 동작 상태를 조절함으로써, 상기 배터리 온도 관리 장치의 소비 전력을 감소시키면서 상기 배터리 온도가 상기 최저 온도 및 상기 최대 온도 사이에 있도록 상기 배터리 온도 관리 장치를 제어하는 저전력 온도 제어 단계를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 저전력 온도 제어 단계는, 상기 모터가 동작하지 않을 경우 상기 배터리 온도 관리 장치의 동작을 중지시키는 단계, 상기 모터가 동작하는 경우, 상기 배터리 온도를 검출하는 단계, 상기 배터리 온도가 상기 최저 온도 미만이라면, 상기 히터를 동작시켜서 상기 배터리 온도를 상승시키는 단계, 상기 배터리 온도가 상기 최저 온도 이상이고 상기 최고 온도 미만이라면 상기 배터리 온도 관리 장치의 동작을 중지시키는 단계, 및 상기 배터리 온도가 상기 최고 온도 이상이라면, 상기 저전력 냉각기 및 상기 고전력 냉각기 중 하나를 동작시켜서 상기 배터리 온도를 하강시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 배터리 온도를 검출하는 상기 단계는, 상기 배터리를 구성하는 배터리 셀들의 온도를 검출하는 단계, 검출된 상기 배터리 셀들의 온도 중 최대값 및 최소값 간의 온도차를 결정하는 단계, 및 상기 온도차가 소정 허용치 이상일 경우 상기 펌프를 동작시켜 상기 온도차를 감소시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 배터리 온도를 하강시키는 상기 단계는, 상기 고전력 냉각기를 동작시키고 상기 펌프를 고속으로 동작시키는 고속 냉각 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 배터리 온도를 하강시키는 상기 단계는, 상기 저전력 냉각기를 동작시키고 상기 펌프를 저속으로 동작시키는 저속 냉각 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 고전력 온도 제어 단계는, 상기 배터리 온도가 상기 최고 온도 이상이라면, 상기 고전력 냉각기를 동작시켜서 상기 배터리 온도를 하강시키는 단계, 상기 배터리 온도가 상기 최저 온도 미만이라면, 상기 히터를 동작시켜서 상기 배터리 온도를 상승시키는 단계, 및 상기 배터리 온도가 상기 최저 온도 이상이고 상기 최고 온도 미만이라면, 상기 배터리 온도에 따라서 상기 저전력 냉각기를 동작시켜서 상기 배터리 온도를 하강시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 저전력 냉각기를 동작시켜서 상기 배터리 온도를 하강시키는 상기 단계는, 상기 배터리를 구성하는 배터리 셀들의 온도를 검출하는 단계, 검출된 상기 배터리 셀들의 온도 중 최대값 및 최소값 간의 온도차를 결정하는 단계, 및 상기 온도차가 소정 허용치 이상일 경우 상기 펌프를 동작시켜 상기 온도차를 감소시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 저전력 냉각기를 동작시켜서 상기 배터리 온도를 하강시키는 상기 단계는, 상기 배터리의 주변 온도를 검출하는 단계, 검출된 주변 온도를 상기 배터리 온도와 비교하는 단계, 상기 주변 온도가 상기 배터리 온도 이상이라면, 상기 저전력 냉각기의 동작을 중지하고 상기 펌프를 동작시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 저전력 냉각기의 동작을 중지하고 상기 펌프를 동작시키는 상기 단계는, 상기 모터가 동작하지 않으면 상기 펌프를 동작시키지 않는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 저전력 냉각기를 동작시켜서 상기 배터리 온도를 하강시키는 상기 단계는, 상기 주변 온도가 상기 배터리 온도 미만이라면, 상기 저전력 냉각기 및 상기 펌프를 동작시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 저전력 냉각기 및 상기 펌프를 동작시키는 상기 단계는, 상기 배터리 온도가 높을수록 상기 펌프를 고속으로 동작시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 저전력 냉각기는 팬 및 라디에이터를 포함하고, 상기 고전력 냉각기는 공기 조화기(air conditioner)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 배터리 온도 관리 장치를 포함하는 배터리 팩 시스템은, 모터를 포함하는 차량용 전기 또는 전자 장치로 전력을 공급하며, 펌프에 의하여 순환되는 냉매와의 열교환에 의하여 그 온도가 조절되는 배터리, 상기 배터리의 온도를 검출하는 배터리 온도 센서, 및 저전력 냉각기, 고전력 냉각기, 히터, 및 상기 펌프를 포함하는 배터리 온도 관리 장치를 제어하여 상기 배터리 온도를 제어하는 중앙 제어부를 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 중앙 제어부는, 배터리 온도 센서를 이용하여 상기 배터리의 충전 상태를 검출하는 동작, 검출된 충전 상태가 소정의 최저 충전치 이상일 경우, 상기 배터리 온도가 최저 온도 및 최대 온도 사이에 있도록, 상기 배터리 온도 관리 장치를 제어하는 고전력 온도 제어 동작, 및 검출된 충전 상태가 상기 최저 충전치 미만일 경우, 상기 배터리 온도 관리 장치의 동작 조건 또는 동작 상태를 조절함으로써, 상기 배터리 온도 관리 장치의 소비 전력을 감소시키면서 상기 배터리 온도가 상기 최저 온도 및 상기 최대 온도 사이에 있도록 상기 배터리 온도 관리 장치를 제어하는 저전력 온도 제어 동작을 수행하도록 구성된다.
또한, 상기 중앙 제어부는 상기 저전력 온도 제어 동작을 수행하기 위하여, 상기 모터가 동작하지 않을 경우 상기 배터리 온도 관리 장치의 동작을 중지시키고, 상기 모터가 동작하는 경우, 상기 배터리 온도를 검출하며, 상기 배터리 온도가 상기 최저 온도 미만이라면, 상기 히터를 동작시켜서 상기 배터리 온도를 상승시키고, 상기 배터리 온도가 상기 최저 온도 이상이고 상기 최고 온도 미만이라면 상기 배터리 온도 관리 장치의 동작을 중지시키며, 그리고, 상기 배터리 온도가 상기 최고 온도 이상이라면, 상기 저전력 냉각기 및 상기 고전력 냉각기 중 하나를 동작시켜서 상기 배터리 온도를 하강시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 중앙 제어부는, 상기 배터리 온도를 검출한 이후에, 주변 온도 센서를 이용하여 상기 배터리를 구성하는 배터리 셀들의 온도를 검출하고, 검출된 상기 배터리 셀들의 온도 중 최대값 및 최소값 간의 온도차를 결정하며, 그리고 상기 온도차가 소정 허용치 이상일 경우 상기 펌프를 동작시켜 상기 온도차를 감소시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 중앙 제어부는, 상기 배터리 온도를 하강시키기 위하여, 상기 고전력 냉각기를 동작시키고 상기 펌프를 고속으로 동작시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 중앙 제어부는, 상기 배터리 온도를 하강시키기 위하여, 상기 저전력 냉각기를 동작시키고 상기 펌프를 저속으로 동작시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 중앙 제어부는, 상기 고전력 온도 제어 동작을 수행하기 위하여, 상기 배터리 온도가 상기 최고 온도 이상이라면, 상기 고전력 냉각기를 동작시켜서 상기 배터리 온도를 하강시키고, 상기 배터리 온도가 상기 최저 온도 미만이라면, 상기 히터를 동작시켜서 상기 배터리 온도를 상승시키며, 그리고, 상기 배터리 온도가 상기 최저 온도 이상이고 상기 최고 온도 미만이라면, 상기 배터리 온도에 따라서 상기 저전력 냉각기를 동작시켜서 상기 배터리 온도를 하강시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 중앙 제어부는, 상기 배터리 온도가 상기 최저 온도 이상이고 상기 최고 온도 미만이라면, 상기 배터리를 구성하는 배터리 셀들의 온도를 검출하고, 검출된 상기 배터리 셀들의 온도 중 최대값 및 최소값 간의 온도차를 결정하며, 그리고 상기 온도차가 소정 허용치 이상일 경우 상기 펌프를 동작시켜 상기 온도차를 감소시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 중앙 제어부는, 상기 배터리 온도가 상기 최저 온도 이상이고 상기 최고 온도 미만이라면, 상기 배터리의 주변 온도를 검출하고, 검출된 주변 온도를 상기 배터리 온도와 비교하며, 상기 주변 온도가 상기 배터리 온도 이상이라면, 상기 저전력 냉각기의 동작을 중지하고 상기 펌프를 동작시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 중앙 제어부는, 상기 모터가 동작하지 않으면 상기 펌프를 동작시키지 않는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 중앙 제어부는, 상기 주변 온도가 상기 배터리 온도 미만이라면, 상기 저전력 냉각기 및 상기 펌프를 동작시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 중앙 제어부는, 상기 배터리 온도가 높을수록 상기 펌프를 고속으로 동작시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에 따르면, 전기 자동차(EV) 및 하이브리드 자동차(HEV)에 사용되는 배터리 온도를, 배터리 온도 뿐만 아니라 배터리의 충전 상태를 함께 고려하여 관리할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면 배터리의 온도 및 충전 상태를 고려하여, 온도 관리 장치의 능동적인 제어를 통해 평상시 및 저충전 상태에서 특정 범위 내로의 온도 조절이 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면 전기 자동차 및 하이브리드 자동차의 배터리가 저충전 상태일 때는 배터리 온도를 관리하는데 최소한의 전력만 소모함으로써, 차량의 주행 거리가 증가되고 배터리의 교체 시기가 단축되어 유지비가 절감되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 측면에 따르는 배터리 온도 관리 장치를 포함하는 배터리 팩 시스템의 제어 방법을 개념적으로 나타내는 흐름도;
도 2는 본 발명이 적용되는 배터리 온도 관리 장치를 개념적으로 나타내는 블록도;
도 3은 도 1에 도시된 배터리 온도 관리 장치를 포함하는 배터리 팩 시스템의 제어 방법의 저전력 온도 제어 단계를 나타내는 흐름도;
도 4는 저전력 온도 제어 단계에서 배터리 팩 내의 배터리 셀들의 온도를 균일화하는 과정을 상세하게 나타내는 흐름도;
도 5는 도 1에 도시된 배터리 온도 관리 장치를 포함하는 배터리 팩 시스템의 제어 방법의 고전력 온도 제어 단계를 나타내는 흐름도;
도 6은 배터리 온도에 따른 배터리 온도 관리 장치의 동작을 상세하게 나타내는 그래프;
도 7은 배터리 팩의 온도가 상대적으로 낮을 경우 수행되는 동작들을 나타내는 흐름도;
도 8은 고전력 온도 제어 단계에서 배터리 팩 내의 배터리 셀들의 온도를 균일화하는 과정을 상세하게 나타내는 흐름도;
도 9는 본 발명의 제 2 측면에 따르는 배터리 온도 관리 장치를 포함하는 배터리 팩 시스템을 개념적으로 나타내는 블록도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제 1 측면에 따르는 배터리 온도 관리 장치를 포함하는 배터리 팩 시스템의 제어 방법을 개념적으로 나타내는 흐름도이다.
본원에서 사용되는 "배터리"라는 용어는 대략적으로, 화학적 배터리들(예를 들면, 납축 배터리, 리튬 이온배터리, 니켈-금속 수소화물 배터리, 니켈-카드뮴 배터리) 및 울트라 커패시터들을 포함하여 전력을 반복적으로 저장 및 분배할 수 있는 장치를 지칭하지만, 이는 예시적인 것일 뿐이며 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
전기 자동차 및 하이브리드 자동차의 전력 시스템에서, 연료 전지는 전력을 모터들에, 그리고 정상적 작동 동안에는 배터리에 공급한다. 그러면, 배터리는 전기 수요를 완충하며, 피크 로드에서 연료 전지 전력을 보충하며 회생 에너지(regenerative energy)를 흡수한다. 또한, 전기 자동차 및 하이브리드 자동차가 제동 또는 로드를 하강하는 것과 같은 회생 이벤트들이 행해질 때는 회생 에너지를 받아들일 수 있도록 완전히 충전되지 않아야 한다. 회생 이벤트들 동안 배터리의 SOC가 너무 높다면, 배터리 전압은 배터리, 모터들, 또는 모터들의 제어기들을 손상시킬 수 있는 안전하지 못한 레벨까지 상승할 수 있고, 그럼으로써 시스템 고장 및 셧다운을 야기할 수 있다.
본 발명에서는 배터리 온도를 관리하기 위해 배터리의 잔여 전하량이 충분할 경우와 배터리가 저충전 상태일 경우를 구분하고, 각 경우마다 상이한 배터리 온도 관리 알고리즘을 적용한다. 따라서, 우선 온도 관리 장치를 작동시킬 수 있다고 생각되는 충전 상태(State of Charge, SOC)의 하한값을 결정한다.
충전 상태의 하한값이 정해지면, 차량의 모터를 구동하는 전력을 제공하는 배터리의 충전 상태(SOC)를 검출한다(S110). 예를 들어, 최저 충전치는 완충시의 전하량의 25%로 결정될 수도 있다. 그러면, SOC가 0.25보다 클 경우에는 고전력 상태에서의 온도 제어 알고리즘을 수행하게 되고, 0.25보다 작을 때에는 저충전 상태에서의 온도 제어 알고리즘을 수행하게 된다.
최저 충전치가 결정되면, 검출된 SOC가 결정된 최저 충전치보다 큰지 여부가 결정된다(S130). 만일, 검출된 SOC가 최저 충전치보다 크다면, 일반적인 알고리즘에 따라 온도 관리 장치를 제어한다(S150). 일반적인 알고리즘은 차량용 배터리 온도 관리 장치를 전력에 대한 고려 없이 자유롭게 이용하여 배터리 온도를 제어하는 알고리즘이다. 일반적인 알고리즘에 대해서는 도 5 내지 도 8을 이용하여 상세히 후술된다. 그러므로, 명세서의 간략화를 위하여 중복적인 설명이 생략된다.
만약 배터리 충전 상태가 주행 중 결정된 최저 충전치 이하로 떨어지게 된다면, 차량 주행을 우선하여 저전력 냉각 알고리즘에 따라 온도 관리 장치를 제어한다(S170). 저전력 냉각 알고리즘은 배터리 온도 관리 장치의 사용을 줄여 온도 관리 장치의 소모 전력을 줄이면서도, 배터리가 가능한 한 적정 온도 범위를 유지하도록 하는 알고리즘이다. 저전력 냉각 알고리즘에 대해서는 도 3 및 도 4를 이용하여 상세히 후술된다. 그러므로, 명세서의 간략화를 위하여 중복적인 설명이 생략된다.
이와 같이, 본 발명에서는 저충전 상황에서 리튬 이온 배터리 온도 유지를 위한 별도의 냉각 알고리즘을 채택하기 때문에, 배터리의 충전 상태가 낮은 저충전 상태에서 배터리 온도 관리 장치에 소모되는 전력을 줄이면서도 배터리의 온도를 원하는 범위 내로 계속해서 유지시킬 수 있는 효과가 있다.
도 2는 본 발명이 적용되는 배터리 온도 관리 장치(200)를 개념적으로 나타내는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 배터리 온도 관리 장치(200)는 팬(210), 라디에이터(220), 쿨러(230), 히터(260), 및 펌프(280)를 포함한다.
굵은 실선으로 표시된 파이프 내에는 냉매가 배터리 내부와 각 장치들을 통과하여 순환하고 있다. 냉매의 온도는 히터(260)를 통과할 때 상승하고, 팬(210), 라디에이터(220), 및 쿨러(230)를 통과할 때 하강한다. 냉매는 펌프(280)에 의하여 강제로 순환된다.
온도가 조절된 냉매는 배터리(290)를 통과하며, 이 때 냉매와 배터리(290) 사이에서 열 교환이 이루어진다. 냉매를 순환시키는 펌프(280)는 여러 개의 동작 속도를 가질 수도 있다. 펌프(280)의 동작 속도가 빨라질수록 배터리 팩 시스템(200)은 신속하게 배터리의 온도를 조절할 수 있지만, 많은 전력을 소모하게 된다. 반면에, 펌프(280)의 동작 속도가 느려질수록 배터리 온도 관리 장치(200)는 천천히 배터리의 온도를 조절할 수 있지만, 소모 전력도 감소한다.
도 3은 도 1에 도시된 배터리 온도 관리 장치를 포함하는 배터리 팩 시스템 의 제어 방법의 저전력 온도 제어 단계를 나타내는 흐름도이다.
본 발명에 의한 저전력 온도 제어 단계에서는, 우선 차량에서 모터가 배터리를 소모하고 있는 지의 여부를 판단한다(S310). 그 이유는, 모터가 사용되지 않고 있을 경우, 배터리의 사용량이 적어 발열량 역시도 적으므로 저충전 상태라는 것을 고려하여 배터리 온도 관리 장치를 작동시키지 않기 위한 것이다(S370).
만일, 모터가 동작중이라면, 차량이 동작하는 중이라는 것을 의미하고, 배터리 온도도 상승할 가능성이 높다. 그런데, 본 발명에서는 배터리 팩 전체의 온도 뿐만 아니라 배터리 팩 내부의 배터리 셀들의 온도도 균일화한다. 이를 위하여, 우선 배터리 팩을 구성하는 배터리 셀들의 온도를 검출한다(S320). 후술되는 바와 같이, 배터리 셀의 온도는 배터리 온도 센서(도 9의 910 참조)에 의하여 검출될 수 있다. 그러면, 배터리 내부의 온도 차이가 허용 최대 온도 차이보다 큰 지를 확인하여, 배터리 내부의 온도 차이가 허용 최대 온도 차이보다 큰 것으로 확인되면 배터리 온도 관리 장치의 다른 장치들을 사용하지 않는 상태에서 펌프만을 작동시켜 냉매를 순환시킨다(S325). 이때 펌프는 전력을 가장 적게 소모하는 1 단계로 작동시킬 수도 있다. 펌프의 동작 속도가 빨라질수록 배터리팩 내부의 온도는 빠르게 균일화되지만 많은 전력이 소모된다는 것은 전술된 바와 같다.
배터리 팩 내부의 온도가 균일해지면 이제 배터리 온도 센서를 이용하여 배터리 온도(Tb)를 검출한다(S330). 그러면, 검출된 Tb를 허용되는 배터리 온도의 최소값(T_min) 및 최대값(T_max) 과 비교한다(S340). 본 발명에서, 최소값(T_min) 및 최대값(T_max)은 각각 배터리 팩의 충전 상태가 낮을 경우에 적용되는 적정 배터리 온도의 하한 및 상한을 각각 나타낸다.
Tb를 허용되는 배터리 온도의 최소값(T_min 최대값(T_max) 과 비교하면 다음과 같은 세 가지 상황들이 발생한다.
- 배터리 온도가 허용 온도의 최소값(T_min)보다 낮은 경우(Tb<T_min)(S350)
이 경우는 배터리 온도가 전기 자동차 및 하이브리드 자동차가 원활하게 동작할 수 있는 온도보다 낮다는 것을 의미한다. 그러므로, 배터리 온도를 높일 필요가 있다. 다만, 현재는 배터리 팩의 충전 상태가 낮으므로 추가적인 전력을 소모하는 것보다는 자연적으로 온도 상승을 유도하는 것이 바람직하다. 따라서, 전력을 많이 소모하는 히터를 사용하지 않고 배터리 및 전기 자동차 및 하이브리드 자동차 자체의 동작 온도를 이용하여 배터리 온도를 상승시킨다.
이 때, 펌프는 배터리가 저전력 상태인 것을 고려하여 낮은 속도로 회전하는 것이 바람직하다.
- 배터리 온도가 허용 온도의 최대값보다 높은 경우(Tb>T_max)(S360)
이 경우는, 배터리 온도가 전기 자동차 및 하이브리드 자동차가 원활하게 동작할 수 있는 온도보다 높다는 것을 의미한다. 그러므로, 배터리 온도를 낮출 필요가 있다. 이 때, 배터리 온도 관리 장치에 포함되는 저전력 냉각기인 팬 및 라디에이터, 또는 고전력 냉각기인 에어컨이 이용될 수 있다. 전술된 바와 같이, 저전력 냉각기를 이용할 경우 배터리 온도는 천천히 떨어지지만 전력 소모량은 감소한다. 또한, 라디에이터와 팬을 사용하는 방식은 전력 소모가 적은 반면 배터리의 온도를 외기 온도까지 밖에 내리지 못한다. 반면에, 에어컨과 같은 냉각기를 이용하면, 전력 소모가 큰 대신 배터리의 온도를 원하는 수준까지 빠르게 내릴 수 있다.
즉, 냉각기 대신 라디에이터와 팬을 이용하면 냉각을 통해 낮출 수 있는 배터리의 온도는 외기 온도를 한계로 갖는다. 따라서 이 경우는 배터리의 온도가 최저 한계 온도 T_low보다 작은지 비교하는 것이 아닌 외기 온도에 특정 온도 값 T를 더한 것보다 작은지 비교하는 것으로 변경되어야 한다. 여기서 T는 라디에이터와 팬의 작동으로 배터리 온도가 외기의 온도까지 내려간다 해도 완벽히 같게 되는 것은 어렵기 때문에 투입한 상수로서, 그 값은 약 1도 정도이다.
이 경우 펌프는 낮은 전력 소모를 위해 1단계로 작동시킬 수도 있다. 또한, 펌프의 동작 속도도 배터리의 충전 상태를 고려하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 펌프는 고전력 냉각기가 동작될 경우 빠르게 동작하고, 저전력 냉각기가 동작될 경우에는 느리게 동작할 수 있다.
- 배터리 온도가 허용 온도의 최소값 및 최대값 사이일 경우(T_min<Tb<T_max)(S370)
배터리 온도가 너무 낮은 경우는 물론, 배터리 온도가 너무 높아도 배터리 성능은 열화된다. 반면에, 배터리 온도가 최소값 및 최대값 사이라면 배터리의 온도가 두 한계 온도 사이의 최적 온도 범위 내에 있으며, 내부에서의 온도 차이도 크지 않다는 의미가 된다. 따라서 이 경우 전력 소모를 줄이기 위해 배터리 온도 관리 장치를 작동시키지 않는다. 이 경우에는 팬의 동작도 중지될 수 있다.
이와 같이, 본 발명에서는 배터리가 저충전 상태일 경우에는 배터리 온도가 허용 온도의 최대치보다 높을 때에만 고전력 냉각기를 가동시키고 다른 경우에는 고전력 냉각기를 동작시키지 않는다. 그러므로, 그러므로 배터리 온도를 관리하기 위하여 소모되는 전력을 감소시킬 수 있다.
도 4는 저전력 온도 제어 단계에서 배터리 팩 내의 배터리 셀들의 온도를 균일화하는 과정을 나타내는 흐름도이다.
우선, 배터리 팩을 구성하는 배터리 셀들의 온도를 검출한다(S410). 배터리 셀들의 온도가 검출되면, 검출된 배터리 셀들의 온도 중 최대값 및 최소값 간의 온도차(dT)를 결정한다(S420).
일반적으로, 배터리 셀에서 일어나는 전기화학적 반응들은 온도에 민감하다. 따라서, 온도가 높은 배터리 셀에서 일어나는 화학 반응의 속도와 온도가 낮은 배터리 셀에서 일어나는 화학 반응의 속도는 상이하다. 그런데, 배터리 셀들의 온도가 상이하면 배터리 팩 전체의 동작이 열화되고 수명이 단축될 수도 있다. 그러므로, 배터리 셀들의 온도를 균일화하는 과정이 필요하다.
배터리 셀들의 온도차가 결정되면, 결정된 온도차(dT)가 허용된 최대값(dT_max)보다 큰지 여부를 결정한다(S430). 만일 온도차가 허용된 최대값을 넘지 않는다면, 배터리 셀들 간의 온도차가 크지 않기 때문에 균일화 과정이 불필요하다. 하지만, 온도차가 허용된 최대값을 넘는다면, 펌프를 이용하여 냉매를 순환시켜서 배터리 셀들의 온도차(dT)를 감소시킨다(S440). 그런데, 현재 충전 상태는 저전력 상태이므로 펌프는 낮은 속도로 회전하는 것이 바람직하다.
펌프의 동작은 온도차(dT)가 펌프 동작 정지값(dT_min)보다 낮을 때까지 반복된다(S450). 펌프 동작 정지값(dT_min)은 허용된 최대값(dT_max)보다 낮은 값으로서, 사용되는 배터리 셀들 및 배터리 팩의 특징에 의하여 결정될 수 있다.
도 4를 통해서, 배터리 팩 내부의 배터리 셀들의 온도가 균일화되므로 전기 자동차 및 하이브리드 자동차의 동작이 안정될 뿐만 아니라, 배터리 팩의 수명도 길어질 수 있다.
이하, 도 5 내지 도 8을 이용하여 고전력 온도 제어 단계에 대해서 상세히 설명한다.
도 5는 도 1에 도시된 배터리 온도 관리 장치를 포함하는 배터리 팩 시스템 의 제어 방법의 고전력 온도 제어 단계를 나타내는 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 우선 배터리 온도 센서를 이용하여 배터리 온도(Tb)를 검출한다(S530). 그리고, 검출된 Tb를 배터리 동작 온도의 최저 허용 온도(T_low 최고 허용 온도(T_high) 와 비교한다.
여기서, 최저 허용 온도(T_low 최고 허용 온도(T_high)는 도 3의 허용되는 배터리 온도의 최소값(T_min 최대값(T_max) 과 동일할 수도 있고 상이할 수도 있다. 예를 들어, 배터리의 충전 상태에 따라서 최저 허용 온도(T_low 최고 허용 온도(T_high)가 변경될 수도 있다. 즉, 배터리의 충전 상태가 낮아질수록 최저 허용 온도(T_low 최고 허용 온도(T_high)간의 차이를 줄임으로써 배터리 온도 관리 장치가 소모하는 전력을 감소시킬 수도 있다.
검출된 배터리 온도(Tb)를 배터리 동작 온도의 최저 허용 온도(T_low 최고 허용 온도(T_high) 와 비교한 결과는 다음 세 가지가 된다.
- 배터리 온도가 최저 허용 온도보다 낮은 경우(Tb<T_low)(S550)
도 6의 제 1 구간(1, 도 6 참조)에 대항한다. 이 경우에는 배터리가 제대로 동작하도록 하기 위해서 신속하게 배터리 온도를 상승시킬 필요가 있다. 또한, 배터리의 충전 상태도 양호하므로 고전력 냉각기인 히터를 이용하여 강제적으로 온도 상승을 유도한다. 이 경우 펌프 속도도 고속으로 설정하여 온도 상승 시간을 단축시킬 수도 있다.
- 배터리 온도가 최고 허용 온도보다 높은 경우(Tb>T_high)(S560)
도 6의 제 7 구간(7, 도 6 참조)에 해당한다. 이 경우 배터리의 온도가 너무 높으므로 빨리 낮춰야할 필요가 있다. 또한, 배터리의 충전 상태도 양호하므로 저전력 냉각기인 팬/라디에이터보다는 고전력 냉각기인 에어컨 또는 쿨러를 이용하여 온도를 급격하게 떨어뜨리는 것이 바람직하다. 이 때, 펌프 속도도 고속으로 설정함으로써 냉각 속도를 더 빠르게 할 수도 있다.
고전력 냉각기는 배터리의 온도가 정해진 냉각기 정지 온도보다 낮아질 때까지 반복될 수 있는데, 냉각기 정지 온도는 최고 허용 온도(T_high)일 수도 있고 이보다 낮은 값일 수도 있다. 냉각기 정지 온도를 최고 허용 온도(T_high)보다 낮추는 이유는 냉각기를 최고 허용 온도(T_high)에서 정지시킬 경우 추후 배터리 온도의 상승에 의하여 다시 냉각기를 동작시켜야 하는 경우가 발생할 수 있기 때문이다. 그러므로, 냉각기 정지 온도를 최고 허용 온도(T_high)보다 소정 값만큼 낮은 값으로 설정하는 것이 바람직하다.
- 배터리 온도가 최저 허용 온도 및 최고 허용 온도 사이인 경우(T_low<Tb<T_high)(S570)
도 6의 제 2 내지 제 6 구간(2 내지 6, 도 6 참조)에 해당한다. 도 3의 저전력 온도 제어 단계에서는 전력 소모를 줄이기 위해서 이 경우 별도의 온도 조절 동작을 수행하지 않았다. 하지만, 배터리의 충전 상태가 양호한 경우에는 배터리의 최적화된 동작을 위해서 추가적으로 배터리 온도를 낮추는 것이 바람직하다.
다만, S560의 경우와 달리 이 경우에는 배터리 온도를 낮추는 것이 급박한 것은 아니다. 그러므로, S560과는 달리 팬/라디에이터와 같은 저전력 냉각기를 이용하여 온도 하강을 유도한다. 또한, 펌프 속도는 배터리 온도에 따라서 가변적으로 변경될 수 있다.
배터리 온도와 펌프 속도 간의 관련성에 대해서는 도 6을 이용하여 상세히 후술된다. 그러므로, 명세서의 간략화를 위해서 중복된 설명이 생략된다.
도 6은 배터리 온도에 따른 배터리 온도 관리 장치의 동작을 상세하게 나타내는 그래프이다.
도 6을 참조하면, 상단 및 하단이 점선으로 표시된 굵은 실선은 변동하는 배터리 온도를 나타낸다. 배터리 온도 중 최고 허용 온도(T_high 최저 허용 온도(T_low) 사이에 네 개의 눈금들(T_1, T_amb, T_2, T_3)이 위치한다. 이 눈금들은 도시된 바와 같이 순서대로 높은 값을 가지게 된다.
이러한 눈금 사이에 7 개의 구간이 존재한다. 예를 들어, 제 1 구간(1)은 T_low 보다 배터리 온도가 낮은 구간을 의미한다. 또한, 제 5 구간(5)은 제 2 온도(T_2 제 3 온도(T_3) 사이의 온도 구간을 나타낸다. 온도 직선 우측에는 각 구간에서 동작되는 배터리 온도 관리 장치가 정리되어 있다.
주변 온도(T_amb)는 배터리 팩 주위의 온도를 나타낸다. 도 6에서, 주변 온도(T_amb)는 제 1 온도(T_1 제 2 온도(T_2) 사이에 위치되는 것으로 도시되었으나, 이는 예시적인 것이며 본 발명을 한정하는 것이 아님에 주의한다.
주변 온도(T_amb)를 고려해야 하는 이유는, 배터리 온도 관리 장치 중 팬/라디에이터를 이용하여 냉각할 수 있는 온도가 주변 온도(T_amb)로 제한되기 때문이다. 예를 들어, 배터리 온도가 주변 온도(T_amb)보다 낮다면, 저전력 냉각기인 팬/라디에이터를 이용할 경우 오히려 배터리 온도가 주변 온도(T_amb)까지 올라가는 경우가 발생한다. 그러므로, 팬/라디에이터는 오직 배터리 온도가 주변 온도(T_amb)보다 높은 경우에만 사용할 수 있다.
도 6의 각 구간별로 동작하는 배터리 온도 관리 장치의 동작 상태는 다음과 같다.
- 히터와 쿨러는 각각 제 1 구간(1 제 7 구간(7)에서만 동작한다.
이 때, 충전 상태가 양호하므로, 펌프도 고속으로 동작시켜서 배터리 온도의 상승 및 하강 속도를 증가시킨다.
- 팬/라디에이터는 배터리 온도(Tb)가 주변 온도(T_amb)보다 낮은 제 2 구간(2 제 3 구간(3)에서는 동작할 수 없다. 이 경우에는 오직 펌프만을 이용하여 배터리 온도를 낮춘다. 이 때, 배터리 온도가 상대적으로 높지 않으므로 펌프는 저속으로 동작할 수도 있다.
제 2 구간(2 제 3 구간(3)은, 펌프를 동작시키는데 모터의 동작 여부를 고려하는지 여부에 따라 구별된다. 제 2 구간(2)은 상대적으로 낮은 온도를 가지므로, 전기 자동차 및 하이브리드 자동차의 모터가 동작하지 않는 경우 펌프마저도 동작시키지 않는 것이 가능하다.
- 팬/라디에이터와 같은 저전력 냉각기는 제 4 내지 제 6 구간(4 내지 6)모두에서 동작된다.
다만, 제 4 내지 제 6 구간(4 내지 6)은 펌프의 동작 속도에 의하여 구별될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 배터리 온도(Tb)가 높아질수록 펌프의 동작 속도를 증가시키는 것이 바람직하다.
도 6에서 배터리 온도의 최고 허용 온도(T_high 최저 허용 온도(T_low) 사이 부분은 모두 네 개의 온도들(T_1, T_amb, T_2, T_3)로 구분된다는 것을 알 수 있다. 하지만, 이는 예시적인 것이 아니며 본 발명을 한정하는 의미가 아님에 유의한다. 예를 들어, 배터리 온도의 최고 허용 온도(T_high 최저 허용 온도(T_low) 사이 부분은 세 개 이하의 구간으로 나뉘어질 수도 있고, 다섯 개 이상의 구간들로 나뉘어질 수도 있다. 최고 허용 온도(T_high 최저 허용 온도(T_low) 사이 부분을 더 많은 구간으로 나눌수록, 배터리 온도를 정밀하게 제어할 수 있는 장점을 가진다.
이하, 도 6을 참조하면서 도 7 및 도 8을 설명한다.
도 7은 배터리 팩의 온도가 상대적으로 낮을 경우 수행되는 동작들을 나타내는 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 도 3에 도시된 저전력 온도 조절 단계와는 달리, 고전력 온도 조절 단계에서는 현재 모터가 동작중인지 여부를 판단하지 않는다. 그 이유는 현재 배터리의 충전 상태가 양호하기 때문에 배터리를 언제든지 사용 가능한 상태로 유지시키고 배터리 수명을 연장하기 위한 것이다.
따라서, 도 7의 고전력 온도 조절 단계에서는 모터 동작 여부를 판단하지 않고 곧바로 배터리 팩을 구성하는 배터리 셀들의 온도를 검출한다(S720). 후술되는 바와 같이, 배터리 셀의 온도는 배터리 온도 센서(도 9의 910 참조)에 의하여 검출될 수 있다. 그러면, 배터리 내부의 온도 차이가 허용 최대 온도 차이보다 큰 지를 확인하여, 배터리 내부의 온도 차이가 허용 최대 온도 차이보다 큰 것으로 확인되면 펌프를 동작시켜서 배터리 셀들의 온도를 균일화한다(S725). 배터리 셀의 온도를 균일화하는 동작에 대해서는 도 8을 이용하여 후술한다.
배터리 팩 내부의 온도가 균일해지면 이제 주변 온도 센서를 이용하여 주변 온도(T_amb)를 검출한다(S730). 그러면, 검출된 배터리 온도(Tb)를 주변 온도(T_amb 제 1 온도(T_1) 와 함께 비교한다(S740).
Tb를 허용되는 주변 온도(T_amb 제 1 온도(T_1) 와 비교하면 다음과 같은 세 가지 상황들이 발생한다.
- 배터리 온도가 제 1 온도(T_1)보다 낮은 경우(Tb<T_1)(S750)
도 6의 제 2 구간(2)에 해당한다. 이 경우는 배터리 온도가 전기 자동차 및 하이브리드 자동차가 원활하게 동작할 수 있는 온도보다는 높지만 허용 구간 중에서는 상대적으로 낮다는 것을 의미한다. 일반적으로 배터리 온도가 주변 온도(T_amb)보다 낮으면 배터리 온도를 낮추기 위해서 팬/라디에이터를 이용할 수가 없다. 따라서 오직 펌프만을 동작시켜 배터리 온도를 강하시킨다.
그런데, S750에서는 배터리 온도가 주변 온도(T_amb)보다 낮은 제 1 온도(T_1)보다도 더 낮다. 그러므로, 이 때에는 전기 자동차 및 하이브리드 자동차의 모터가 동작하는지 판단해서 동작하는 경우에만 펌프를 가동시키는 것이 바람직하다.
- 배터리 온도가 제 1 온도(T_1)보다 높고 주변 온도(T_amb)보다 낮은 경우(T_1<Tb<T_amb)(S760)
도 6의 제 3 구간(3)에 해당한다. 이 경우는 배터리 온도가 T_1 보다 높으므로 모터의 동작 여부와 무관하게 펌프를 동작시킨다. 또한, 배터리 온도는 주변 온도(T_amb)보다는 낮으므로 여전히 팬/라디에이터와 같은 저전력 냉각기는 사용할 수 없다.
그리고, 온도가 여전히 상대적으로 낮으므로 펌프의 회전 속도를 낮춰서 배터리를 천천히 냉각시키는 것이 가능하다.
- 배터리 온도가 주변 온도(T_amb)보다 높은 경우(Tb>T_amb)(S770)
도 6의 제4 구간(4)에 해당한다. 이 경우, 배터리 온도는 주변 온도(T_amb)보다 높으므로 배터리 온도를 낮추기 위해서 팬/라디에이터를 사용할 수가 있다. 또한, 펌프의 동작 속도는 배터리 온도에 따라서 변경될 수도 있다. 예를 들어, 배터리 온도가 높을수록 펌프의 동작 속도를 증가시킴으로써 냉각 속도를 빠르게 하는 것이 가능하다.
이와 같이, 본 발명에서는 배터리가 고충전 상태일 경우에는 배터리 온도가 허용 온도의 최소치 및 최대치 사이의 값을 갖더라도 배터리의 동작 성능을 향상시키기 위하여 그리고 배터리 온도를 강하시키기 위하여 팬/라디에이터를 선택적으로 가동시키고 펌프를 동작시킬 수도 있다.
도 8은 고전력 온도 제어 단계에서 배터리 팩 내의 배터리 셀들의 온도를 균일화하는 과정을 상세하게 나타내는 흐름도이다.
우선, 배터리 팩을 구성하는 배터리 셀들의 온도를 검출한다(S810). 배터리 셀들의 온도가 검출되면, 검출된 배터리 셀들의 온도 중 최대값 및 최소값 간의 온도차(dT)를 결정한다(S820).
배터리 셀들의 온도차가 결정되면, 결정된 온도차(dT)가 허용된 최대값(dT_max)보다 큰지 여부를 결정한다(S830). 만일 온도차가 허용된 최대값을 넘지 않는다면, 배터리 셀들 간의 온도차가 크지 않기 때문에 균일화 과정이 불필요하다. 하지만, 온도차가 허용된 최대값을 넘는다면, 펌프를 이용하여 냉매를 순환시켜서 배터리 셀들의 온도차(dT)를 감소시킨다(S840). 그런데, 현재 충전 상태는 고전력 상태이므로 펌프는 높은 속도로 회전할 수 있다.
펌프의 동작은 온도차(dT)가 펌프 동작 정지값(dT_min)보다 낮을 때까지 반복된다(S850). 펌프 동작 정지값(dT_min)은 허용된 최대값(dT_max)보다 낮은 값으로서, 사용되는 배터리 셀들 및 배터리 팩의 특징에 의하여 결정될 수 있다.
도 9는 본 발명의 제 2 측면에 따르는 배터리 온도 관리 장치를 포함하는 배터리 팩 시스템(900)을 개념적으로 나타내는 블록도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명에 따르는 배터리 온도 관리 장치를 포함하는 배터리 팩 시스템 (900)은 중앙 제어부(950)에 의하여 제어되는 배터리 온도 센서(910), 주변 온도 센서(920), 펌프(930), 냉매(940), 팬(960), 라디에이터(970), 쿨러(980), 및 히터(990)를 포함한다.
전술된 바와 같이, 배터리(미도시)는 모터를 포함하는 차량용 전기 또는 전자 장치로 전력을 공급하며, 펌프에 의하여 순환되는 냉매와의 열교환에 의하여 그 온도가 조절된다. 배터리 온도 센서(910)는 배터리의 온도를 검출하여 중앙 제어부(950)로 전송한다. 도 9에서, 팬(960 라디에이터(970), 쿨러(980), 및 펌프(930)는 배터리 온도 관리 장치에 포함된다.
중앙 제어부(950)는, 팬(960 라디에이터(970) 와 같은 저전력 냉각기, 쿨러(980 에어컨(미도시)을 포함하는 고전력 냉각기, 및 펌프(930)를 제어하여 배터리의 온도를 조절한다. 이를 위하여, 중앙 제어부(950)는 우선 배터리의 충전 상태를 검출한 후, 검출된 충전 상태를 소정의 최저 충전치와 비교한 결과에 따라서 고전력 온도 제어 동작 및 저전력 온도 제어 동작 중 하나를 수행한다. 특히, 중앙 제어부(950)는 검출된 충전 상태가 최저 충전치 미만일 경우에는 배터리 온도 관리 장치의 동작 조건 또는 동작 상태를 조절함으로써, 배터리 온도 관리 장치의 소비 전력을 감소시키면서 배터리 온도가 최저 온도 및 최대 온도 사이에 있도록 배터리 온도 관리 장치를 제어하는 저전력 온도 제어 동작을 수행한다.
또한, 중앙 제어부(950)는, 배터리의 충전 상태가 양호할 경우에는 고전력 온도 제어 동작을 수행한다. 이를 위하여, 중앙 제어부(950)는, 배터리 온도가 최고 온도 이상이라면, 고전력 냉각기를 동작시켜서 배터리 온도를 하강시키고, 배터리 온도가 최저 온도 미만이라면, 히터를 동작시켜서 배터리 온도를 상승시킨다. 이 경우 펌프는 고속으로 회전되는 것이 바람직하다. 만일, 배터리 온도가 최저 온도 이상이고 최고 온도 미만이라면, 중앙 제어부(950)는 배터리 온도에 따라서 저전력 냉각기를 동작시켜서 배터리 온도를 하강시킨다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
910: 배터리 온도 센서 920: 주변 온도 센서
930: 펌프 940: 냉매
950: 중앙 제어부 960: 팬
970: 라디에이터 980: 쿨러
990: 히터

Claims (24)

  1. 모터를 포함하는 차량용 전기 또는 전자 장치로 전력을 공급하며, 펌프에 의하여 순환되는 냉매와의 열교환에 의하여 그 온도가 조절되는 배터리의 충전 상태를 검출하는 단계;
    검출된 충전 상태가 소정의 최저 충전치 이상일 경우, 상기 배터리 온도가 최저 온도 및 최대 온도 사이에 있도록, 저젼력 냉각기, 고전력 냉각기, 히터, 및 상기 펌프를 포함하는 배터리 온도 관리 장치를 제어하는 고전력 온도 제어 단계; 및
    검출된 충전 상태가 상기 최저 충전치 미만일 경우, 상기 배터리 온도 관리 장치의 동작 조건 또는 동작 상태를 조절함으로써, 상기 배터리 온도 관리 장치의 소비 전력을 감소시키면서 상기 배터리 온도가 상기 최저 온도 및 상기 최대 온도 사이에 있도록 상기 배터리 온도 관리 장치를 제어하는 저전력 온도 제어 단계를 포함하는 배터리 온도 관리 장치를 포함하는 배터리 팩 시스템의 제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 저전력 온도 제어 단계는,
    상기 모터가 동작하지 않을 경우 상기 배터리 온도 관리 장치의 동작을 중지시키는 단계;
    상기 모터가 동작하는 경우, 상기 배터리 온도를 검출하는 단계;
    상기 배터리 온도가 상기 최저 온도 미만이라면, 상기 히터를 동작시켜서 상기 배터리 온도를 상승시키는 단계;
    상기 배터리 온도가 상기 최저 온도 이상이고 상기 최고 온도 미만이라면 상기 배터리 온도 관리 장치의 동작을 중지시키는 단계; 및
    상기 배터리 온도가 상기 최고 온도 이상이라면, 상기 저전력 냉각기 및 상기 고전력 냉각기 중 하나를 동작시켜서 상기 배터리 온도를 하강시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 온도 관리 장치를 포함하는 배터리 팩 시스템의 제어방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 배터리 온도를 검출하는 상기 단계는,
    상기 배터리를 구성하는 배터리 셀들의 온도를 검출하는 단계;
    검출된 상기 배터리 셀들의 온도 중 최대값 및 최소값 간의 온도차를 결정하는 단계; 및
    상기 온도차가 소정 허용치 이상일 경우 상기 펌프를 동작시켜 상기 온도차를 감소시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 온도 관리 장치를 포함하는 배터리 팩 시스템의 제어방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 배터리 온도를 하강시키는 상기 단계는,
    상기 고전력 냉각기를 동작시키고 상기 펌프를 고속으로 동작시키는 고속 냉각 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 온도 관리 장치를 포함하는 배터리 팩 시스템의 제어방법.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 배터리 온도를 하강시키는 상기 단계는,
    상기 저전력 냉각기를 동작시키고 상기 펌프를 저속으로 동작시키는 저속 냉각 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 온도 관리 장치를 포함하는 배터리 팩 시스템의 제어방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 고전력 온도 제어 단계는,
    상기 배터리 온도가 상기 최고 온도 이상이라면, 상기 고전력 냉각기를 동작시켜서 상기 배터리 온도를 하강시키는 단계;
    상기 배터리 온도가 상기 최저 온도 미만이라면, 상기 히터를 동작시켜서 상기 배터리 온도를 상승시키는 단계; 및
    상기 배터리 온도가 상기 최저 온도 이상이고 상기 최고 온도 미만이라면, 상기 배터리 온도에 따라서 상기 저전력 냉각기를 동작시켜서 상기 배터리 온도를 하강시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 온도 관리 장치를 포함하는 배터리 팩 시스템의 제어방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 저전력 냉각기를 동작시켜서 상기 배터리 온도를 하강시키는 상기 단계는,
    상기 배터리를 구성하는 배터리 셀들의 온도를 검출하는 단계;
    검출된 상기 배터리 셀들의 온도 중 최대값 및 최소값 간의 온도차를 결정하는 단계; 및
    상기 온도차가 소정 허용치 이상일 경우 상기 펌프를 동작시켜 상기 온도차를 감소시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 온도 관리 장치를 포함하는 배터리 팩 시스템의 제어방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 저전력 냉각기를 동작시켜서 상기 배터리 온도를 하강시키는 상기 단계는,
    상기 배터리의 주변 온도를 검출하는 단계;
    검출된 주변 온도를 상기 배터리 온도와 비교하는 단계;
    상기 주변 온도가 상기 배터리 온도 이상이라면, 상기 저전력 냉각기의 동작을 중지하고 상기 펌프를 동작시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 온도 관리 장치를 포함하는 배터리 팩 시스템의 제어방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 저전력 냉각기의 동작을 중지하고 상기 펌프를 동작시키는 상기 단계는,
    상기 모터가 동작하지 않으면 상기 펌프를 동작시키지 않는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 온도 관리 장치를 포함하는 배터리 팩 시스템의 제어방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 저전력 냉각기를 동작시켜서 상기 배터리 온도를 하강시키는 상기 단계는,
    상기 주변 온도가 상기 배터리 온도 미만이라면, 상기 저전력 냉각기 및 상기 펌프를 동작시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 온도 관리 장치를 포함하는 배터리 팩 시스템의 제어방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 저전력 냉각기 및 상기 펌프를 동작시키는 상기 단계는,
    상기 배터리 온도가 높을수록 상기 펌프를 고속으로 동작시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 온도 관리 장치를 포함하는 배터리 팩 시스템의 제어방법.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 저전력 냉각기는 팬 및 라디에이터를 포함하고,
    상기 고전력 냉각기는 공기 조화기 (air conditioner)를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 온도 관리 장치를 포함하는 배터리 팩 시스템의 제어방법.
  13. 모터를 포함하는 차량용 전기 또는 전자 장치로 전력을 공급하며, 펌프에 의하여 순환되는 냉매와의 열교환에 의하여 그 온도가 조절되는 배터리;
    상기 배터리의 온도를 검출하는 배터리 온도 센서; 및
    저전력 냉각기, 고전력 냉각기, 히터, 및 상기 펌프를 포함하는 배터리 온도 관리 장치를 제어하여 상기 배터리 온도를 제어하는 중앙 제어부를 포함하며, 상기 중앙 제어부는,
    배터리 온도 센서를 이용하여 상기 배터리의 충전 상태를 검출하는 동작, 검출된 충전 상태가 소정의 최저 충전치 이상일 경우, 상기 배터리 온도가 최저 온도 및 최대 온도 사이에 있도록, 상기 배터리 온도 관리 장치를 제어하는 고전력 온도 제어 동작, 및 검출된 충전 상태가 상기 최저 충전치 미만일 경우, 상기 배터리 온도 관리 장치의 동작 조건 또는 동작 상태를 조절함으로써, 상기 배터리 온도 관리 장치의 소비 전력을 감소시키면서 상기 배터리 온도가 상기 최저 온도 및 상기 최대 온도 사이에 있도록 상기 배터리 온도 관리 장치를 제어하는 저전력 온도 제어 동작을 수행하도록 구성되는 배터리 온도 관리 장치를 포함하는 배터리 팩 시스템.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 중앙 제어부는 상기 저전력 온도 제어 동작을 수행하기 위하여,
    상기 모터가 동작하지 않을 경우 상기 배터리 온도 관리 장치의 동작을 중지시키고,
    상기 모터가 동작하는 경우, 상기 배터리 온도를 검출하며,
    상기 배터리 온도가 상기 최저 온도 미만이라면, 상기 히터를 동작시켜서 상기 배터리 온도를 상승시키고,
    상기 배터리 온도가 상기 최저 온도 이상이고 상기 최고 온도 미만이라면 상기 배터리 온도 관리 장치의 동작을 중지시키며, 그리고,
    상기 배터리 온도가 상기 최고 온도 이상이라면, 상기 저전력 냉각기 및 상기 고전력 냉각기 중 하나를 동작시켜서 상기 배터리 온도를 하강시키는 것을 특징으로 하는 배터리 온도 관리 장치를 포함하는 배터리 팩 시스템.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 중앙 제어부는, 상기 배터리 온도를 검출한 이후에,
    주변 온도 센서를 이용하여 상기 배터리를 구성하는 배터리 셀들의 온도를 검출하고, 검출된 상기 배터리 셀들의 온도 중 최대값 및 최소값 간의 온도차를 결정하며, 그리고 상기 온도차가 소정 허용치 이상일 경우 상기 펌프를 동작시켜 상기 온도차를 감소시키는 것을 특징으로 하는 배터리 온도 관리 장치를 포함하는 배터리 팩 시스템.
  16. 청구항 14에 있어서,
    상기 중앙 제어부는, 상기 배터리 온도를 하강시키기 위하여,
    상기 고전력 냉각기를 동작시키고 상기 펌프를 고속으로 동작시키는 것을 특징으로 하는 배터리 온도 관리 장치를 포함하는 배터리 팩 시스템.
  17. 청구항 14에 있어서,
    상기 중앙 제어부는, 상기 배터리 온도를 하강시키기 위하여,
    상기 저전력 냉각기를 동작시키고 상기 펌프를 저속으로 동작시키는 것을 특징으로 하는 배터리 온도 관리 장치를 포함하는 배터리 팩 시스템.
  18. 청구항 13에 있어서,
    상기 중앙 제어부는, 상기 고전력 온도 제어 동작을 수행하기 위하여,
    상기 배터리 온도가 상기 최고 온도 이상이라면, 상기 고전력 냉각기를 동작시켜서 상기 배터리 온도를 하강시키고,
    상기 배터리 온도가 상기 최저 온도 미만이라면, 상기 히터를 동작시켜서 상기 배터리 온도를 상승시키며, 그리고,
    상기 배터리 온도가 상기 최저 온도 이상이고 상기 최고 온도 미만이라면, 상기 배터리 온도에 따라서 상기 저전력 냉각기를 동작시켜서 상기 배터리 온도를 하강시키는 것을 특징으로 하는 배터리 온도 관리 장치를 포함하는 배터리 팩 시스템.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 중앙 제어부는, 상기 배터리 온도가 상기 최저 온도 이상이고 상기 최고 온도 미만이라면,
    상기 배터리를 구성하는 배터리 셀들의 온도를 검출하고, 검출된 상기 배터리 셀들의 온도 중 최대값 및 최소값 간의 온도차를 결정하며, 그리고 상기 온도차가 소정 허용치 이상일 경우 상기 펌프를 동작시켜 상기 온도차를 감소시키는 것을 특징으로 하는 배터리 온도 관리 장치를 포함하는 배터리 팩 시스템.
  20. 청구항 18에 있어서,
    상기 중앙 제어부는, 상기 배터리 온도가 상기 최저 온도 이상이고 상기 최고 온도 미만이라면,
    상기 배터리의 주변 온도를 검출하고, 검출된 주변 온도를 상기 배터리 온도와 비교하며, 상기 주변 온도가 상기 배터리 온도 이상이라면, 상기 저전력 냉각기의 동작을 중지하고 상기 펌프를 동작시키는 것을 특징으로 하는 배터리 온도 관리 장치를 포함하는 배터리 팩 시스템.
  21. 청구항 20에 있어서,
    상기 중앙 제어부는,
    상기 모터가 동작하지 않으면 상기 펌프를 동작시키지 않는 것을 특징으로 하는 배터리 온도 관리 장치를 포함하는 배터리 팩 시스템.
  22. 청구항 20에 있어서,
    상기 중앙 제어부는,
    상기 주변 온도가 상기 배터리 온도 미만이라면, 상기 저전력 냉각기 및 상기 펌프를 동작시키는 것을 특징으로 하는 배터리 온도 관리 장치를 포함하는 배터리 팩 시스템.
  23. 청구항 18에 있어서,
    상기 중앙 제어부는,
    상기 배터리 온도가 높을수록 상기 펌프를 고속으로 동작시키는 것을 특징으로 하는 배터리 온도 관리 장치를 포함하는 배터리 팩 시스템.
  24. 청구항 13에 있어서,
    상기 저전력 냉각기는 팬 및 라디에이터를 포함하고,
    상기 고전력 냉각기는 공기 조화기를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 온도 관리 장치를 포함하는 배터리 팩 시스템.
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