KR20180068391A - 전기 자동차용 배터리시스템의 냉각제어방법 - Google Patents

전기 자동차용 배터리시스템의 냉각제어방법 Download PDF

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최제훈
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Abstract

본 발명은 배터리의 내구열화 정도를 적용하여 배터리의 냉각을 제어하는 전기 자동차용 배터리시스템의 냉각제어방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 전기 자동차용 배터리시스템의 냉각제어방법은 배터리와 냉각팬이 구비된 전기 자동차에서 배터리의 온도에 따라 냉각팬의 작동 정도를 제어하는 배터리 관리시스템(BMS)에 의해 배터리의 냉각을 제어하는 방법으로서, 자동차의 운행 중 배터리의 내구 열화도 정보를 이용하여 배터리의 내구열화속도를 측정한 실제 열화속도(Vt)가 배터리의 예측 내구열화속도(Vp) 보다 큰 경우 정상조건에서의 냉각팬 작동 정도 대비 냉각팬의 작동 정도를 증가시키는 것을 특징으로 한다.

Description

전기 자동차용 배터리시스템의 냉각제어방법{COOLING CONTROL METHOD OF BATTERY MANAGEMENT SYSTEM IN ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 전기 자동차용 배터리시스템의 냉각제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배터리의 내구열화 정도를 적용하여 배터리의 냉각을 제어하는 전기 자동차용 배터리시스템의 냉각제어방법에 관한 것이다.
환경오염과 이산화탄소의 배출량에 관심을 갖기 시작하면서 종래의 화석연료를 사용하는 내연기관 차량보다는 공해가 적게 발생되는 친환경 차량에 대한 관심이 높아지고 있다. 친환경 차량은 내연기관과 모터에 의해 동력을 발생시켜 주행하는 하이브리드 차량(HEV)과 모터의 힘으로만 주행하는 전기자동차(EV) 등이 있다.
모터는 배터리에서 발생되는 전기에너지를 이용하여 동력을 발생시키게 되는데, 통상적으로 배터리는 고전압배터리를 사용하게 되며, 복수의 배터리셀을 모아 하나의 모듈을 형성하고, 복수의 모듈을 연결한 후 케이스에 탑재하여 하나의 배터리가 완성되게 된다.
배터리 케이스의 내부에는 다수의 전기부품들이 마련되며 이러한 전기부품들의 작동과 배터리셀 내부의 화학작용에 의해 많은 열이 발생하게 된다. 배터리에 계속해서 발생한 열이 누적되게 되면 배터리의 수명이 짧아지는 등의 문제가 발생하기 때문에 별도로 배터리를 냉각시키는 장치를 필요로 한다.
그래서, 배터리를 냉각시키는 장치는 배터리 관리 시스템(Battery Management System; BMS)에 의해 제어를 받는다. 예를 들어 배터리와, 배터리를 공냉시키기 위하여 냉각팬이 구비되고, 배터리 관리 시스템에 의해 냉각팬의 작동 정도를 제어하여 배터리로 제공되는 풍량을 조절함으로써 배터리의 냉각 정도를 조절한다.
종래의 일반적인 배터리 관리 시스템는 배터리에서 발생되는 온도를 측정하고, 측정된 온도에 따라 냉각팬의 작동 정도를 조절하여 배터리를 냉각시킨다. 부연하자면, 배터리의 온도에 따라 온도구간별로 냉각팬의 작동 정도를 구분한 제어 모드를 설정한 다음, 자동차의 운전 중 배터리의 온도를 측정하고, 측정된 온도 구간에 해당되는 냉각팬의 작동 정도에 따라 냉각팬을 작동시키는 것이다.
하지만, 배터리는 보관 온도, 운전자의 운전습관 및 충전조건 등 다양한 변수에 따라 내구가 악화되어 배터리의 기대 내구보다 열화속도가 빨라진 경우에 기 설정된 제어 모드에 따라 냉각팬을 작동하게 되면 배터리의 냉각이 원하는 수준으로 달성되지 않아 배터리의 수명이 더욱 저하되는 문제가 있었다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
공개특허 10-2013-0017286 (2013. 02. 20)
본 발명은 배터리의 측정 온도와 함께 배터리의 내구열화 정도를 적용하여 배터리의 냉각을 제어하는 전기 자동차용 배터리시스템의 냉각제어방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 전기 자동차용 배터리시스템의 냉각제어방법은 배터리와 냉각팬이 구비된 전기 자동차에서 배터리의 온도에 따라 냉각팬의 작동 정도를 제어하는 배터리 관리시스템(BMS)에 의해 배터리의 냉각을 제어하는 방법으로서, 자동차의 운행 중 배터리의 내구 열화도 정보를 이용하여 배터리의 내구열화속도를 측정한 실제 열화속도(Vt)가 배터리의 예측 내구열화속도(Vp) 보다 큰 경우 정상조건에서의 냉각팬 작동 정도 대비 냉각팬의 작동 정도를 증가시키는 것을 특징으로 한다.
구체적으로 본 발명의 일 실시형태에 따른 전기 자동차용 배터리시스템의 냉각제어방법은 배터리와 냉각팬이 구비된 전기 자동차에서 배터리의 온도에 따라 냉각팬의 작동 정도를 제어하는 배터리 관리시스템(BMS)에 의해 배터리의 냉각을 제어하는 방법으로서, 정상운전 환경에서 배터리의 온도에 따라 냉각팬의 작동 정도를 제어하기 위한 정상 모드(M1)를 설정하는 단계와; 배터리의 온도에 따라 냉각팬의 작동 정도를 정상 모드(M1)보다 증가시킨 열화저감 모드(M2)를 설정하는 단계와; 배터리의 예측 내구열화속도(Vp)를 설정하는 단계와; 자동차의 운행 중 배터리의 내구 열화도 정보를 이용하여 배터리의 내구열화속도를 모니터링하는 단계와; 모니터링된 실제 열화속도(Vt)가 배터리의 예측 내구열화속도(Vp) 보다 같거나 작은 경우 배터리 및 냉각팬의 작동을 정상 모드(M1)로 제어하는 단계와; 모니터링된 실제 열화속도(Vt)가 배터리의 예측 내구열화속도(Vp) 보다 큰 경우 배터리 및 냉각팬의 작동을 열화저감 모드(M2)로 제어하는 단계를 포함한다.
상기 열화저감 모드(M2)를 설정하는 단계는, 배터리의 온도에 따라 냉각팬의 작동 정도를 정상 모드(M1) 보다 증가시킨 열화저감 제 1 모드(M2-1)와, 배터리의 온도에 따라 냉각팬의 작동 정도를 열화저감 제 1 모드(M2-1) 보다 증가시킨 열화저감 제 2 모드(M2-2)를 설정하는 것을 특징으로 한다.
상기 열화저감 모드(M2)를 설정하는 단계는, 모니터링된 실제 열화속도(Vt)와 배터리의 예측 내구열화속도(Vp)의 차이(△V)에 대한 기준값(Vc)을 설정하는 것을 특징으로 한다.
상기 열화저감 모드(M2)로 제어하는 단계는, 모니터링된 실제 열화속도(Vt)와 배터리의 예측 내구열화속도(Vp)의 차이(△V)가 설정된 기준값(Vc) 보다 같거나 작으면 설정된 열화저감 제 1 모드(M2-1)로 냉각팬을 작동시키고, 모니터링된 실제 열화속도(Vt)와 배터리의 예측 내구열화속도(Vp)의 차이(△V)가 설정된 기준값(Vc) 보다 크면 설정된 열화저감 제 2 모드(M2-2)로 냉각팬을 작동시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 배터리의 냉각 제어시에 실시간으로 측정되는 배터리의 온도와 함께 배터리의 내구 열화속도를 적용하여 냉각팬의 작동 정도를 보정하여 제어함으로서 배터리의 수명을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 배터리시스템의 냉각제어방법을 보여주는 순서도이고,
도 2는 배터리의 냉각 조건에 따른 배터리의 온도 변화를 보여주는 그래프이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 배터리시스템의 냉각제어방법을 적용하면 기대할 수 있는 주행거리 개선사항을 보여주는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
먼저, 본 발명은 배터리와 냉각팬이 구비된 전기 자동차에서 배터리의 온도에 따라 냉각팬의 작동 정도를 제어하는 배터리 관리시스템(BMS)에 의해 배터리의 냉각을 제어하는 방법에 대한 것이다. 하지만, 본 발명의 적용은 전기 자동차에 한정되는 것이 아니라 자동차에 장착된 다양한 배터리의 냉각제어에 적용될 수 있을 것이다. 예를 들어 하이브리드 차량(HEV)에 장착된 배터리에도 적용될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 배터리시스템의 냉각제어방법을 보여주는 순서도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 배터리시스템의 냉각제어방법은 자동차의 운행 중 배터리의 내구 열화도 정보를 이용하여 배터리의 내구열화속도를 측정한 실제 열화속도(Vt)가 배터리의 예측 내구열화속도(Vp) 보다 큰 경우 정상조건에서의 냉각팬 작동 정도 대비 냉각팬의 작동 정도를 증가시키는 것을 주요 기술사상으로 한다.
상기와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 배터리시스템의 냉각제어방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 1에 도시된 바와 같이, 먼저 배터리의 냉각제어를 위하여 정상운전 환경에서 배터리의 온도에 따라 냉각팬의 작동 정도를 제어하기 위한 정상 모드(M1)를 설정한다. 이때 냉각팬의 작동 정도는 단수로 구분한다. 예를 들어 정상 모드(M1)는 하기의 표 1과 같이 설정할 수 있다.
그리고, 배터리의 온도에 따라 냉각팬의 작동 정도를 정상 모드(M1)보다 증가시킨 열화저감 모드(M2)를 설정한다.
이때 설정되는 열화저감 모드(M2)는 배터리의 온도에 따라 냉각팬의 작동 정도를 정상 모드(M1) 보다 증가시킨 열화저감 제 1 모드(M2-1)와, 배터리의 온도에 따라 냉각팬의 작동 정도를 열화저감 제 1 모드(M2-1) 보다 증가시킨 열화저감 제 2 모드(M2-2)로 구분된다. 예를 들어 열화저감 제 1 모드(M2-1)와 열화저감 제 2 모드(M2-2)는 하기의 표 1과 같이 설정할 수 있다.
정상 모드
(M1)		 열화저감 제 1 모드
(M2-1)		 열화저감 제 2 모드
(M2-2)
배터리온도
(℃)		 냉각팬
단수		 배터리온도
(℃)		 냉각팬
단수		 배터리온도
(℃)		 냉각팬
단수
30 2 30 5 30 9
40 5 40 7 40 9
50 7 50 8 50 9
60 9 60 9 60 9
한편, 열화저감 모드(M2)를 열화저감 제 1 모드(M2-1)와 열화저감 제 2 모드(M2-2)로 구분하는 기준값(Vc)은 작업자의 배터리의 내구열화 정도에 따라 설정되는 값으로서, 배터리의 용량과 같은 다양한 변수에 의해 임의의 기준값(Vc)을 설정할 수 있을 것이다.
그리고, 배터리의 예측 내구열화속도(Vp)를 설정한다.
배터리의 예측 내구열화속도(Vp)는 주행거리에 따라 비례적으로 증가하도록 설정된다. 다만, 배터리의 예측 내구열화속도(Vp)는 비정상적인 변수를 고려하지 않은 이론적인 기대값이다.
이렇게 다양한 조건들에 대한 설정이 완료되었다면, 자동차를 운행하면서 본 발명에 따른 배터리시스템의 냉각제어방법을 적용한다.
자동차의 운행이 시작되면 배터리의 냉각은 정상 모드(M1)에 따라 제어된다.
이렇게 배터리의 냉각이 정상 모드(M1)로 제어되는 동안 배터리의 내구 열화도 정보를 이용하여 배터리의 내구열화속도를 실시간으로 모니터링한다. 여기서 배터리의 내구열화속도는 다양한 방식을 적용하여 모니터링할 수 있을 것이다. 예를 들어 배터리의 용량(전압)을 실시간으로 측정하고, 용량의 변화량에 따라 내구열화속도를 연산한다.
그래서 내구열화속도가 연산되면 모니터링된 실제 열화속도(Vt)가 배터리의 예측 내구열화속도(Vp) 보다 같거나 작은 경우 배터리 및 냉각팬의 작동을 계속하여 정상 모드(M1)로 제어한다.
한편, 자동차의 주행거리가 증가하여 모니터링된 실제 열화속도(Vt)가 배터리의 예측 내구열화속도(Vp) 보다 큰 경우 배터리 및 냉각팬의 작동을 열화저감 모드(M2)로 제어한다.
부연하자면, 정상 모드(M1)로 냉각팬을 제어하던 중 모니터링된 실제 열화속도(Vt)와 배터리의 예측 내구열화속도(Vp)의 차이(△V)가 설정된 기준값(Vc) 보다 같거나 작으면 설정된 열화저감 제 1 모드(M2-1)로 냉각팬을 작동시킨다.
그리고, 열화저감 제 1 모드(M2-1)로 냉각팬을 제어하던 중 모니터링된 실제 열화속도(Vt)와 배터리의 예측 내구열화속도(Vp)의 차이(△V)가 설정된 기준값(Vc) 보다 크면 설정된 열화저감 제 2 모드(M2-2)로 냉각팬을 작동시킨다.
다음으로, 본 발명에 따른 전기 자동차용 배터리시스템의 냉각제어방법에 따라 냉각팬을 제어하면 배터리 보증거리의 보장을 기대할 수 있는지 확인하였다.
도 2는 배터리의 냉각 조건에 따른 배터리의 온도 변화를 보여주는 그래프로서, 비교예는 자동차의 주행 중 냉각팬을 정상 모드(M1)로 제어한 경우이고, 실시예는 자동차의 주행 중 냉각팬을 본 발명의 열화저감 모드(M2)로 제어한 경우이다.
도 2에서 알 수 있듯이 비교예에 비하여 실시예의 경우가 배터리의 온도분포가 저온 방향으로 이동한 것을 확인할 수 있었고, 그 갤과 배터리 내구가 10% 정도 개선됨을 확인하였다.
따라서, 배터리의 냉각량을 조절하여 배터리가 열화 되는 속도를 제어할 수 있다 것을 확인하였다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 배터리시스템의 냉각제어방법을 적용하면 기대할 수 있는 주행거리 개선사항을 보여주는 그래프이다.
도 3에서 기대값은 배터리의 용량을 변화시킬 수 있는 비정상적인 변수를 고려하지 않은 이론적인 경우이고, 비교예는 자동차의 주행 중 냉각팬을 정상 모드(M1)로 제어한 경우이고, 실시예는 자동차의 주행 중 냉각팬을 본 발명의 열화저감 모드(M2)로 제어한 경우이다.
도 3에서 알 수 있듯이 비교예의 경우 기대값보다 주행거리 증가에 따라 배터리 용량의 감소가 현저하게 많이 진행된 것을 확인할 수 있었다. 따라서 정상 모드(M1)로만 냉각팬을 제어할 경우 배터리의 보증거리를 보장할 수 없다는 것을 예측할 수 있다.
하지만, 실시예의 경우 비교예보다 주행거리 증가에 따라 배터리 용량의 감소가 현저하게 줄어든 것을 확인할 수 있었다. 따라서 열화저감 모드(M2)로 냉각팬을 제어할 경우 배터리의 용량 저하를 개선하여 배터리의 보증거리를 보장할 수 있을 것으로 기대할 수 있다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.

Claims (5)

  1. 배터리와 냉각팬이 구비된 전기 자동차에서 배터리의 온도에 따라 냉각팬의 작동 정도를 제어하는 배터리 관리시스템(BMS)에 의해 배터리의 냉각을 제어하는 방법으로서,
    자동차의 운행 중 배터리의 내구 열화도 정보를 이용하여 배터리의 내구열화속도를 측정한 실제 열화속도(Vt)가 배터리의 예측 내구열화속도(Vp) 보다 큰 경우 정상조건에서의 냉각팬 작동 정도 대비 냉각팬의 작동 정도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 배터리시스템의 냉각제어방법.
  2. 배터리와 냉각팬이 구비된 전기 자동차에서 배터리의 온도에 따라 냉각팬의 작동 정도를 제어하는 배터리 관리시스템(BMS)에 의해 배터리의 냉각을 제어하는 방법으로서,
    정상운전 환경에서 배터리의 온도에 따라 냉각팬의 작동 정도를 제어하기 위한 정상 모드(M1)를 설정하는 단계와;
    배터리의 온도에 따라 냉각팬의 작동 정도를 정상 모드(M1)보다 증가시킨 열화저감 모드(M2)를 설정하는 단계와;
    배터리의 예측 내구열화속도(Vp)를 설정하는 단계와;
    자동차의 운행 중 배터리의 내구 열화도 정보를 이용하여 배터리의 내구열화속도를 모니터링하는 단계와;
    모니터링된 실제 열화속도(Vt)가 배터리의 예측 내구열화속도(Vp) 보다 같거나 작은 경우 배터리 및 냉각팬의 작동을 정상 모드(M1)로 제어하는 단계와;
    모니터링된 실제 열화속도(Vt)가 배터리의 예측 내구열화속도(Vp) 보다 큰 경우 배터리 및 냉각팬의 작동을 열화저감 모드(M2)로 제어하는 단계를 포함하는 전기 자동차용 배터리시스템의 냉각제어방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 열화저감 모드(M2)를 설정하는 단계는,
    배터리의 온도에 따라 냉각팬의 작동 정도를 정상 모드(M1) 보다 증가시킨 열화저감 제 1 모드(M2-1)와, 배터리의 온도에 따라 냉각팬의 작동 정도를 열화저감 제 1 모드(M2-1) 보다 증가시킨 열화저감 제 2 모드(M2-2)를 설정하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 배터리시스템의 냉각제어방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 열화저감 모드(M2)를 설정하는 단계는,
    모니터링된 실제 열화속도(Vt)와 배터리의 예측 내구열화속도(Vp)의 차이(△V)에 대한 기준값(Vc)을 설정하는 전기 자동차용 배터리시스템의 냉각제어방법.
  5. 청구항 4에 있어서
    상기 열화저감 모드(M2)로 제어하는 단계는,
    모니터링된 실제 열화속도(Vt)와 배터리의 예측 내구열화속도(Vp)의 차이(△V)가 설정된 기준값(Vc) 보다 같거나 작으면 설정된 열화저감 제 1 모드(M2-1)로 냉각팬을 작동시키고,
    모니터링된 실제 열화속도(Vt)와 배터리의 예측 내구열화속도(Vp)의 차이(△V)가 설정된 기준값(Vc) 보다 크면 설정된 열화저감 제 2 모드(M2-2)로 냉각팬을 작동시키는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 배터리시스템의 냉각제어방법.
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