KR20190058009A - 배터리 모듈의 셀투셀 온도 편차 최소화를 위한 양방향 냉각 시스템 - Google Patents

배터리 모듈의 셀투셀 온도 편차 최소화를 위한 양방향 냉각 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 다양한 실시예는 양방향 냉각 시스템에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 배터리 모듈의 셀투셀 온도 편차 최소화를 위한 양방향 냉각 시스템을 제공하는데 있다.
이를 위해 본 발명은 다수의 배터리 셀과, 상기 배터리 셀의 일측에 냉각 공기가 투입되는 입구와 상기 배터리 셀의 타측에 냉각 공기가 배출되는 출구를 갖는 하우징을 포함하는 배터리 모듈; 상기 입구의 공기 온도를 센싱하는 공기 온도 센서; 상기 배터리 셀의 온도를 센싱하는 모듈 온도 센서; 상기 배터리 모듈의 입구에서 출구로 또는 출구에서 입구로 냉각 공기가 흐르도록 정방향 또는 역방향으로 회전하는 냉각 팬; 및 상기 공기 온도 센서로부터 획득한 공기 온도가 기준 공기 온도보다 낮고 상기 모듈 온도 센서로부터 획득한 모듈 온도가 기준 초기 모듈 온도보다 높을 경우, 상기 냉각 팬을 정방향으로 회전시켜 상기 냉각 공기가 상기 입구에서 상기 출구로 흐르도록 하고, 상기 모듈 온도 센서로부터 획득한 모듈 온도가 상기 기준 초기 모듈 온도보다 높은 기준 최종 모듈 온도보다 높을 경우, 상기 냉각 팬을 역방향으로 회전시켜 상기 냉각 공기가 상기 출구에서 상기 입구로 흐르도록 하는 제어부를 포함하는 배터리 모듈의 셀투셀 온도 편차 최소화를 위한 양방향 냉각 시스템을 개시한다.

Description

배터리 모듈의 셀투셀 온도 편차 최소화를 위한 양방향 냉각 시스템{Bi-directional cooling system for minimizing cell to cell temperature deviation of battery module}
본 발명의 다양한 실시예는 배터리 모듈의 셀투셀 온도 편차 최소화를 위한 양방향 냉각 시스템에 관한 것이다.
도 1a를 참조하면, 배터리 셀의 냉각을 위해 입구와 출구를 갖는 일반적인 배터리 모듈의 사시도가 개략적으로 도시되어 있고, 도 1b를 참조하면, 일반적인 배터리 모듈에서 냉각 시간별 입구와 출구 사이의 온도 편차에 대한 그래프가 도시되어 있다. 도 1b에서 X축은 냉각 시간(s)이고, Y축은 온도(℃)이다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 에너지 저장 장치나 전기 자동차에 사용되는 배터리 모듈(또는 배터리 팩)은 높은 용량과 출력을 위해 수백 내지 수천 개의 배터리 셀이 직렬 및/또는 병렬로 연결되어 사용된다. 여기서, 배터리 모듈의 일측에는 냉각 공기가 투입되는 냉각 공기 입구가 형성되고, 배터리 모듈의 타측에는 냉각 공기(또는 가열된 공기)가 배출되는 냉각 공기 출구가 형성된다. 또한, 공기가 입구에서 출구로 강제로 순환하도록 배터리 모듈의 일측에 냉각 팬(미도시)이 설치될 수 있다.
따라서, 냉각 팬의 동작에 의해 외부의 냉각 공기가 배터리 모듈의 입구를 통해 투입되고, 투입된 냉각 공기가 배터리 셀을 냉각시키며, 냉각 시 가열된 공기는 최종적으로 출구를 통해 외부로 배출된다.
이와 같이 하여, 도 1b에 도시된 바와 같이, 종래의 배터리 냉각 시스템은 냉각 팬이 한 방향으로만 계속 동작함으로써, 배터리 모듈 내 셀 위치에 따른 온도 편차(Δt)가 발생한다. 예를 들면, 입구와 가까울수록 배터리 셀의 냉각 효과가 좋은 반면, 출구와 가까울수록 배터리 셀이 높은 온도를 갖는다.
따라서, 기존의 배터리 냉각 시스템은 배터리 모듈의 높은 온도와 배터리 셀간 온도 편차로 인해 배터리 셀의 열화 현상이 크게 나타나고, 이에 따라 배터리 모듈의 수명이 단축되는 문제가 있었다.
이러한 발명의 배경이 되는 기술에 개시된 상술한 정보는 본 발명의 배경에 대한 이해도를 향상시키기 위한 것뿐이며, 따라서 종래 기술을 구성하지 않는 정보를 포함할 수도 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 해결하고자 하는 과제는 배터리 모듈의 셀투셀 온도 편차 최소화를 위한 양방향 냉각 시스템을 제공하는데 있다.
특히, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 해결하고자 하는 과제는 배터리 모듈 내 셀 간 온도 편차를 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 최고 온도를 저감할 수 있는 양방향 냉각 시스템을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 해결하고자 하는 과제는 배터리 모듈을 냉각하기 위한 냉각 팬의 구동 속도를 능동적으로 제어하여, 냉각 팬에 의한 소음을 개선하고 최적의 냉각 효율을 제공할 수 있는 양방향 냉각 시스템을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 해결하고자 하는 과제는 배터리 모듈의 C-레이트(rate)에 따라 냉각 방법을 다르게 하여, 발열량에 따른 최적의 냉각 효율을 제공할 수 있는 양방향 냉각 시스템을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 해결하고자 하는 과제는 배터리 모듈 내에서 높은 온도와 셀 간 온도 편차로 인해 발생하는 악영향을 줄여서, 배터리 셀의 내구성 및 수명을 향상시킬 수 있는 양방향 냉각 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 배터리 모듈의 셀투셀 온도 편차 최소화를 위한 양방향 냉각 시스템은 다수의 배터리 셀과, 상기 배터리 셀의 일측에 냉각 공기가 투입되는 입구와 상기 배터리 셀의 타측에 냉각 공기가 배출되는 출구를 갖는 하우징을 포함하는 배터리 모듈; 상기 입구의 공기 온도를 센싱하는 공기 온도 센서; 상기 배터리 셀의 온도를 센싱하는 모듈 온도 센서; 상기 배터리 모듈의 입구에서 출구로 또는 출구에서 입구로 냉각 공기가 흐르도록 정방향 또는 역방향으로 회전하는 냉각 팬; 및 상기 공기 온도 센서로부터 획득한 공기 온도가 기준 공기 온도보다 낮고 상기 모듈 온도 센서로부터 획득한 모듈 온도가 기준 초기 모듈 온도보다 높을 경우, 상기 냉각 팬을 정방향으로 회전시켜 상기 냉각 공기가 상기 입구에서 상기 출구로 흐르도록 하고, 상기 모듈 온도 센서로부터 획득한 모듈 온도가 상기 기준 초기 모듈 온도보다 높은 기준 최종 모듈 온도보다 높을 경우, 상기 냉각 팬을 역방향으로 회전시켜 상기 냉각 공기가 상기 출구에서 상기 입구로 흐르도록 하는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 공기 온도 센서로부터 획득한 공기 온도가 상기 기준 공기 온도보다 낮거나, 또는 상기 모듈 온도 센서로부터 획득한 상기 모듈 온도가 기준 초기 모듈 온도보다 낮을 경우, 상기 냉각 팬의 동작을 정지시킬 수 있다.
상기 제어부는 상기 모듈 온도 센서로부터 획득한 상기 모듈 온도가 상기 기준 초기 모듈 온도보다 높고 상기 기준 최종 모듈 온도보다 낮을 경우, 상기 냉각 팬의 정방향 회전 속도를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 배터리 모듈의 셀투셀 온도 편차 최소화를 위한 양방향 냉각 시스템은 다수의 배터리 셀과, 상기 배터리 셀의 일측에 냉각 공기가 투입되는 입구와 상기 배터리 셀의 타측에 냉각 공기가 배출되는 출구를 갖는 하우징을 포함하는 배터리 모듈; 상기 입구의 공기 온도를 센싱하는 공기 온도 센서; 상기 배터리 셀의 온도를 센싱하는 모듈 온도 센서; 상기 배터리 모듈의 입구에서 출구로 또는 출구에서 입구로 냉각 공기가 흐르도록 정방향 또는 역방향으로 회전하는 냉각 팬; 및 상기 공기 온도 센서로부터 획득한 공기 온도가 기준 공기 온도보다 낮고 상기 모듈 온도 센서로부터 획득한 모듈 온도가 기준 초기 모듈 온도보다 높을 경우, 상기 냉각 팬을 정방향으로 회전시켜 상기 냉각 공기가 상기 입구에서 상기 출구로 흐르도록 하고, 상기 모듈 온도 센서로부터 획득한 모듈 최고 온도와 모듈 최저 온도 사이의 온도 편차를 산출하여 상기 온도 편차가 기준 온도 편차보다 높을 경우, 상기 냉각 팬을 역방향으로 회전시켜 상기 냉각 공기가 상기 출구에서 상기 입구로 흐르도록 하는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 공기 온도 센서로부터 획득한 공기 온도가 상기 기준 공기 온도보다 낮거나, 또는 상기 모듈 온도 센서로부터 획득한 모듈 온도가 상기 기준 초기 모듈 온도보다 낮을 경우, 상기 냉각 팬의 동작을 정지시킬 수 있다.
상기 제어부는 상기 냉각 팬을 역방향으로 회전시킨 후, 상기 온도 편차가 상기 기준 온도 편차보다 낮을 경우, 상기 냉각 팬을 정방향으로 회전시켜 상기 냉각 공기가 상기 입구에서 상기 출구로 흐르도록 할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 배터리 모듈의 셀투셀 온도 편차 최소화를 위한 양방향 냉각 시스템은 다수의 배터리 셀과, 상기 배터리 셀의 일측에 냉각 공기가 투입되는 입구와 상기 배터리 셀의 타측에 냉각 공기가 배출되는 출구를 갖는 하우징을 포함하는 배터리 모듈; 상기 입구의 공기 온도를 센싱하는 공기 온도 센서; 상기 배터리 셀의 온도를 센싱하는 모듈 온도 센서; 상기 배터리 셀의 충방전 C-레이트를 센싱하는 전류 센서; 상기 배터리 모듈의 입구에서 출구로 또는 출구에서 입구로 냉각 공기가 흐르도록 정방향 또는 역방향으로 회전하는 냉각 팬; 및 상기 공기 온도 센서로부터 획득한 공기 온도가 기준 공기 온도보다 낮고 상기 모듈 온도 센서로부터 획득한 모듈 온도가 기준 초기 모듈 온도보다 높을 경우, 상기 냉각 팬을 정방향으로 회전시켜 상기 냉각 공기가 상기 입구에서 상기 출구로 흐르도록 하고, 상기 전류 센서로부터 획득한 C-레이트에 따라 상기 냉각 팬의 정방향 회전 속도를 조절하는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 공기 온도 센서로부터 획득한 공기 온도가 상기 기준 공기 온도보다 낮거나, 또는 상기 모듈 온도 센서로부터 획득한 모듈 온도가 상기 기준 초기 모듈 온도보다 낮을 경우, 상기 냉각 팬의 동작을 정지시킬 수 있다.
상기 제어부는 상기 전류 센서로부터 획득한 C-레이트가 기준 초기 C-레이트 또는 상기 기준 초기 C-레이트보다 높은 기준 최종 C-레이트보다 낮고, 상기 모듈 온도 센서로부터 획득한 모듈 최고 온도와 모듈 최저 온도 사이의 온도 편차를 산출하여 상기 온도 편차가 기준 온도 편차보다 높을 경우, 상기 냉각 팬을 역방향으로 회전시켜 상기 냉각 공기가 상기 출구에서 상기 입구로 흐르도록 할 수 있다.
상기 제어부는 상기 냉각 팬을 역방향으로 회전시킨 후, 상기 온도 편차가 상기 기준 온도 편차보다 낮을 경우, 상기 냉각 팬을 정방향으로 회전시켜 상기 냉각 공기가 상기 입구에서 상기 출구로 흐르도록 할 수 있다. 상기 제어부는 상기 냉각 팬을 역방향으로 회전시킨 후, 상기 전류 센서로부터 획득한 C-레이트가 변경되었을 경우, 상기 C-레이트에 따른 상기 냉각 팬의 정방향 회전 속도를 재조절할 수 있다.
상기 제어부는 상기 전류 센서로부터 획득한 C-레이트가 상기 기준 최종 C-레이트보다 높고, 상기 모듈 온도 센서로부터 획득한 모듈 온도가 상기 기준 초기 모듈 온도보다 높은 기준 최종 모듈 온도보다 높을 경우, 상기 냉각 팬을 역방향으로 회전시켜 냉각 공기가 상기 출구에서 상기 입구로 흐르도록 할 수 있다.
상기 제어부는 상기 냉각 팬을 역방향으로 회전시킨 후, 상기 모듈 온도가 상기 기준 최종 모듈 온도보다 낮을 경우, 상기 냉각 팬을 정방향으로 회전시켜 상기 냉각 공기가 상기 입구에서 상기 출구로 흐르도록 할 수 있다. 상기 제어부는 상기 냉각 팬을 역방향으로 회전시킨 후, 상기 전류 센서로부터 획득한 C-레이트가 변경되었을 경우, 상기 C-레이트에 따른 상기 냉각 팬의 정방향 회전 속도를 재조절할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예는 배터리 모듈의 셀투셀 온도 편차 최소화를 위한 양방향 냉각 시스템을 제공한다.
특히, 본 발명의 다양한 실시예는 배터리 모듈 내 셀 간 온도 편차를 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 최고 온도를 저감할 수 있는 양방향 냉각 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예는 배터리 모듈을 냉각하기 위한 냉각 팬의 구동 속도를 능동적으로 제어하여, 냉각 팬에 의한 소음을 개선하고 최적의 냉각 효율을 제공할 수 있는 양방향 냉각 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예는 배터리 모듈의 C-레이트(rate)에 따라 냉각 방법을 다르게 하여, 발열량에 따른 최적의 냉각 효율을 제공할 수 있는 양방향 냉각 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예는 배터리 모듈 내에서 높은 온도와 셀 간 온도 편차로 인해 발생하는 악영향을 줄여서, 배터리 셀의 내구성 및 수명을 향상시킬 수 있는 양방향 냉각 시스템을 제공한다.
도 1a는 배터리 셀의 냉각을 위해 입구와 출구를 갖는 일반적인 배터리 모듈을 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 1b는 일반적인 배터리 모듈에서 냉각 시간별 입구와 출구 사이의 온도 편차를 도시한 그래프이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 배터리 모듈의 셀투셀 온도 편차 최소화를 위한 양방향 냉각 시스템을 개략적으로 도시한 설명도이다.
도 3은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 배터리 모듈의 셀투셀 온도 편차 최소화를 위한 양방향 냉각 시스템의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 배터리 모듈의 셀투셀 온도 편차 최소화를 위한 양방향 냉각 시스템의 동작 순서를 도시한 순서도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 배터리 모듈의 셀투셀 온도 편차 최소화를 위한 양방향 냉각 시스템의 동작 순서를 도시한 순서도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 배터리 모듈의 셀투셀 온도 편차 최소화를 위한 양방향 냉각 시스템의 동작 순서를 도시한 순서도이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 배터리 모듈의 셀투셀 온도 편차 최소화를 위한 양방향 냉각 시스템의 동작 순서를 도시한 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우,뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우,도 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우,를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우, "포함한다(comprise, include)" 및/또는 "포함하는(comprising, including)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
또한, 본 발명에 따른 제어부(컨트롤러) 및/또는 다른 관련 기기 또는 부품은 임의의 적절한 하드웨어, 펌웨어(예를 들어, 주문형 반도체), 소프트웨어, 또는 소프트웨어, 펌웨어 및 하드웨어의 적절한 조합을 이용하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 제어부(컨트롤러) 및/또는 다른 관련 기기 또는 부품의 다양한 구성 요소들은 하나의 집적회로 칩 상에, 또는 별개의 집적회로 칩 상에 형성될 수 있다. 또한, 제어부(컨트롤러)의 다양한 구성 요소는 가요성 인쇄 회로 필름 상에 구현될 수 있고, 테이프 캐리어 패키지, 인쇄 회로 기판, 또는 제어부(컨트롤러)와 동일한 서브스트레이트 상에 형성될 수 있다. 또한, 제어부(컨트롤러)의 다양한 구성 요소는, 하나 이상의 컴퓨팅 장치에서, 하나 이상의 프로세서에서 실행되는 프로세스 또는 쓰레드(thread)일 수 있고, 이는 이하에서 언급되는 다양한 기능들을 수행하기 위해 컴퓨터 프로그램 명령들을 실행하고 다른 구성 요소들과 상호 작용할 수 있다. 컴퓨터 프로그램 명령은, 예를 들어, 랜덤 액세스 메모리와 같은 표준 메모리 디바이스를 이용한 컴퓨팅 장치에서 실행될 수 있는 메모리에 저장된다. 컴퓨터 프로그램 명령은 또한 예를 들어, CD-ROM, 플래시 드라이브 등과 같은 다른 비-일시적 컴퓨터 판독 가능 매체(non-transitory computer readable media)에 저장될 수 있다. 또한, 본 발명에 관련된 당업자는 다양한 컴퓨팅 장치의 기능이 상호간 결합되거나, 하나의 컴퓨팅 장치로 통합되거나, 또는 특정 컴퓨팅 장치의 기능이, 본 발명의 예시적인 실시예를 벗어나지 않고, 하나 이상의 다른 컴퓨팅 장치들에 분산될 수 될 수 있다는 것을 인식해야 한다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 배터리 모듈의 셀투셀 온도 편차 최소화를 위한 양방향 냉각 시스템이 개략적으로 도시되어 있다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 양방향 냉각 시스템은 다수의 배터리 셀(101)과, 하우징(102)을 갖는 배터리 모듈(103)을 포함한다. 배터리 셀(101)은, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 원통형 이차 전지, 파우치형 이차 전지 또는 각형 이차 전지일 수 있으며, 이는 매트릭스 타입으로 수평 및/또는수직 방향으로 배열될 수 있다. 또한, 하우징(102)은 배터리 셀(101)의 일측에 구비되어 냉각 공기가 투입되는 입구(102a)와 배터리 셀(101)의 타측에 구비되어 냉각 공기가 배출되는 출구(102b)를 포함할 수 있다.
여기서, 본 발명의 실시예는 배터리 모듈(103)에 구비된 배터리 셀(101)의 온도(예를 들면, 최고 온도 및/또는 최저 온도) 및/또는 셀간 온도 편차에 따라 냉각 공기가 하우징(102)의 입구(102a)로부터 출구(102b)로 흐르게 하거나, 또는 냉각 공기가 하우징(102)의 출구(102b)로부터 입구(102a)로 흐르게 한다.
즉, 본 발명의 실시예는 배터리 셀(101)의 온도나 셀간 온도 편차를 감안하여 냉각 공기가 선택적으로 양방향으로 흐르도록 함으로써, 배터리 셀(101)의 온도를 낮추고 또한 셀간 온도 편차를 낮출 수 있도록 한다. 도면중 넓은 화살표는 냉각 공기의 흐름 방향을 도시한 것으로, 도 2a에서는 냉각 공기가 대략 상부에서 하부로, 도 2b에서는 냉각 공기가 대략 하부에서 상부로 향함을 볼 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 배터리 모듈의 셀투셀 온도 편차 최소화를 위한 양방향 냉각 시스템(100)의 구성이 도시되어 있다. 여기서, 배터리 모듈은 도시되지 않았으며, 이는 도 2a 및 도 2b를 참조하기로 한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 양방향 냉각 시스템(100)은 공기 온도 센서(110), 모듈 온도 센서(120), 냉각 팬(130) 및 제어부(140)를 포함할 수 있다. 여기서, 제어부(140)는 배터리 모니터링 시스템(Battery Monitoring System)의 일부 구성(하드웨어 및/또는 소프트웨어)일 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 양방향 냉각 시스템(100)은 전류 센서(150)를 더 포함할 수 있다.
공기 온도 센서(110)는 배터리 모듈(103) 중 하우징(102)의 입구(102a)에 설치됨으로써, 입구(102a)를 통해 투입되는 냉각 공기의 온도를 센싱하고, 이를 전기적 신호로 변환하여 제어부(140)에 전송한다.
모듈 온도 센서(120)는 배터리 모듈(103)의 하우징(102) 내측에 위치된 배터리 셀(101)에 설치됨으로써, 배터리 셀(101)의 온도를 센싱하고, 이를 전기적 신호로 변환하여 제어부(140)에 전송한다. 이러한 모듈 온도 센서(120)는 배터리 셀(101)마다 설치되거나, 또는 다수의 배터리 셀(101)을 몇개의 그룹으로 정의하고, 각 그룹마다 설치될 수 있다. 따라서, 제어부(140)는 모듈 온도 센서(120)를 통하여 배터리 셀(101)의 최고 온도, 최저 온도 및 최고 온도와 최저 온도의 차이인 온도 편차를 계산할 수 있게 된다.
냉각 팬(130)은 배터리 모듈(103)의 하우징(102) 중 입구(102a), 출구(102b) 또는 내측에 설치됨으로써, 배터리 모듈(103)의 입구(102a)에서 출구(102b)로 또는 출구(102b)에서 입구(102a)로 냉각 공기가 흐르도록 한다. 물론, 이를 위해 냉각 팬(130)은 정방향 또는 역방향으로 회전할 수 있으며, 또한 회전 속도 역시 조절될 수 있다.
전류 센서(150)는 배터리 셀(101)의 충방전 라인에 설치되어 배터리 셀(101)의 충전 및/또는 방전 시 C-레이트를 센싱하고, 이를 전기적 신호로 변환하여 제어부(140)에 전송한다. 여기서, C-레이트는 "Current rate"의 약자로서, 배터리 셀(101)이 1시간동안 사용할 수 있는 전류량을 의미한다. 일례로, 배터리 셀(101)의 용량이 3000mAh이면 1C는 3000mAh로 충/방전함을 의미한다. 이러한 전류 센서(150)는 본 발명의 모든 실시예에서 이용되는 것은 아니고, 특정 실시예에서 사용될 수 있다.
제어부(140)는 공기 온도 센서(110), 모듈 온도 센서(120) 및/또는 전류 센서(150)로부터 측정된 다양한 데이터를 하기할 로직(알고리즘)에 따라 연산한 후, 상술한 냉각 팬(130)을 정방향으로 회전시키거나, 역방향으로 회전시키거나, 회전을 정지시키거나, 또는 냉각 팬(130)의 회전 속도를 조절하도록 한다.
일례로, 제어부(140)는 공기 온도 센서(110)로부터 획득한 공기 온도가 미리 저장된 기준 공기 온도보다 낮고 모듈 온도 센서(120)로부터 획득한 모듈 온도가 미리 저장된 기준 초기 모듈 온도보다 높을 경우, 냉각 팬(130)을 정방향으로 회전시켜 냉각 공기가 배터리 모듈(103)의 입구(102a)에서 출구(102b)로 흐르도록 하고, 모듈 온도 센서(120)로부터 획득한 모듈 온도가 미리 저장된 기준 초기 모듈 온도보다 높은 미리 저장된 기준 최종 모듈 온도보다 높을 경우, 냉각 팬(130)을 역방향으로 회전시켜 냉각 공기가 배터리 모듈(103)의 출구(102b)에서 입구(102a)로 흐르도록 할 수 있다.
다른 예로, 제어부(140)는 공기 온도 센서(110)로부터 획득한 공기 온도가 기준 공기 온도보다 낮고 모듈 온도 센서(120)로부터 획득한 모듈 온도가 기준 초기 모듈 온도보다 높을 경우, 냉각 팬(130)을 정방향으로 회전시켜 냉각 공기가 배터리 모듈(103)의 입구(102a)에서 출구(102b)로 흐르도록 하고, 모듈 온도 센서(120)로부터 획득한 모듈 최고 온도와 모듈 최저 온도 사이의 온도 편차를 산출하여 온도 편차가 미리 저장된 기준 온도 편차보다 높을 경우, 냉각 팬(130)을 역방향으로 회전시켜 냉각 공기가 배터리 모듈(103)의 출구(102b)에서 입구(102a)로 흐르도록 할 수 있다.
또 다른 예로, 제어부(140)는 공기 온도 센서(110)로부터 획득한 공기 온도가 기준 공기 온도보다 낮고 모듈 온도 센서(120)로부터 획득한 모듈 온도가 기준 초기 모듈 온도보다 높을 경우, 냉각 팬(130)을 정방향으로 회전시켜 냉각 공기가 배터리 모듈(103)의 입구(102a)에서 출구(102b)로 흐르도록 하고, 전류 센서(150)로부터 획득한 C-레이트에 따라 냉각 팬(130)의 정방향 회전 속도를 조절하도록 할 수 있다.
또 다른 예로, 제어부(140)는 제어부(140)는 전류 센서(150)로부터 획득한 C-레이트가 기준 초기 C-레이트 또는 기준 초기 C-레이트보다 높은 기준 최종 C-레이트보다 낮고, 모듈 온도 센서(120)로부터 획득한 모듈 최고 온도와 모듈 최저 온도 사이의 온도 편차를 산출하여 온도 편차가 기준 온도 편차보다 높을 경우, 냉각 팬(130)을 역방향으로 회전시켜 냉각 공기가 배터리 모듈(103)의 출구(102b)에서 입구(102a)로 흐르도록 할 수 있다.
또 다른 예로, 제어부(140)는 전류 센서(150)로부터 획득한 C-레이트가 기준 최종 C-레이트보다 높고, 모듈 온도 센서(120)로부터 획득한 모듈 온도가 기준 초기 모듈 온도보다 높은 기준 최종 모듈 온도보다 높을 경우, 냉각 팬(130)을 역방향으로 회전시켜 냉각 공기가 배터리 모듈(103)의 출구(102b)에서 입구(102a)로 흐르도록 할 수 있다.
이러한 양방향 냉각 시스템(100)의 동작 순서를 아래에서 더욱 상세하게 설명하기로 한다. 이하의 설명에서 공기 온도는 배터리 모듈(103)의 하우징(102)에 구비된 입구(102a)의 공기 온도를 의미하고, 모듈 온도는 배터리 모듈(103)의 하우징(102) 내에 설치된 다수의 배터리 셀(101)에 대한 온도(예를 들면, 최고 온도 및/또는 최저 온도)를 의미한다. 또한, 각 단계는 대체로 시계열적 순서로 동작함을 의미하지만, 특정한 조건의 판단에 따라 각 단계는 순서가 변경될 수도 있다. 더욱이, 설명의 편의상 특정 단계의 순서로 동작 순서가 설명되지만, 이러한 동작 순서로 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
더욱이, 이하의 설명에서 냉각 방향의 반전을 위해 냉각 팬(130)의 회전 방향을 정방향에서 역방향으로 변경하는 예를 중심으로 설명하나, 이에 한정되지 않고, 냉각 팬(130)의 회전 방향은 동일하되, 냉각 공기의 흐름을 방향을 조정하는 냉각 공기 흐름 조절판의 각도를 변경하여 냉각 방향을 반전할 수도 있음을 당업자라면 이해할 것이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 배터리 모듈의 셀투셀 온도 편차 최소화를 위한 양방향 냉각 시스템(100)의 동작 순서가 도시되어 있다.
도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 양방향 냉각 시스템(100)의 동작 순서는 온도 센싱 단계(S1), 공기 온도가 기준 공기 온도보다 낮은지 판단하는 단계(S2), 모듈 온도가 기준 초기 모듈 온도보다 높은지 판단하는 단계(S3), 배터리 모듈 냉각 중단 단계(S4), 배터리 모듈 냉각 시작 단계(냉각 팬 1단 동작)(S5), 모듈 온도가 기준 중간 모듈 온도보다 높은지 판단하는 단계(S6), 배터리 모듈 냉각 단계(냉각 팬 2단 동작)(S7), 모듈 온도가 기준 최종 모듈 온도보다 높은지 판단하는 단계(S8) 및 냉각 유동 방향 반전 단계(S9)를 포함할 수 있다.
온도 센싱 단계(S1)에서, 제어부(140)는 공기 온도 센서(110) 및 모듈 온도 센서(120)를 이용하여 배터리 모듈(103)에 구비된 하우징(102)의 입구(102a)에 대한 공기 온도와, 배터리 모듈(103)에 구비된 하우징(102)의 내측에 위치된 다수의 배터리 셀(101)에 대한 모듈 온도(예를 들면, 최고 온도)를 센싱한다.
공기 온도가 기준 공기 온도보다 낮은지 판단하는 단계(S2)에서, 제어부(140)는 상술한 바와 같이 획득된 공기 온도가 메모리에 미리 저장되어 있는(또는 설정되어 있는) 기준 공기 온도보다 낮은지 판단한다. 낮다면 단계(S3)를 수행하고, 그렇지 않으면 단계(S4)를 수행한다. 즉, 제어부(140)는 입구(102a)의 공기 온도가 기준 공기 온도보다 낮아야 냉각을 수행할 수 있는 상태가 된다.
모듈 온도가 기준 초기 모듈 온도보다 높은지 판단하는 단계(S3)에서, 제어부(140)는 상술한 바와 같이 획득된 모듈 온도(예를 들면, 최고 온도)가 메모리에 미리 저장되어 있는(또는 설정되어 있는) 기준 초기 모듈 온도보다 높은지 판단한다. 높다면 단계(S5)를 수행하고, 그렇지 않으면 단계(S4)를 수행한다. 즉, 제어부(140)는 모듈 온도(예를 들면, 최고 온도)가 기준 초기 모듈 온도보다 높아야 냉각을 수행할 수 있는 상태가 된다.
배터리 모듈 냉각 중단 단계(S4)에서, 제어부(140)는 입구(102a)의 공기 온도가 기준 공기 온도보다 높거나 또는 모듈 온도(예를 들면, 최고 온도)가 기준 초기 모듈 온도보다 낮을 경우 냉각을 수행할 필요가 없다고 판단하여 냉각을 정지한다. 즉, 제어부(140)는 냉각 팬(130)을 턴오프한다.
배터리 모듈 냉각 시작 단계(S5)에서, 제어부(140)는 냉각 팬(130)을 예를 들면 정방향으로 회전시킴으로써, 냉각 공기가 배터리 모듈(103)의 입구(102a)에서 출구(102b)를 향하여 흐르도록 한다. 이때, 제어부(140)는, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 냉각 팬(130)을 1단으로 동작시킨다.
모듈 온도가 기준 중간 모듈 온도보다 높은지 판단하는 단계(S6)에서, 제어부(140)는 상술한 바와 같이 획득된 모듈 온도(예를 들면, 최고 온도)가 메모리에 미리 저장되어 있는(또는 설정되어 있는) 기준 중간 모듈 온도보다 높은지 판단한다. 높다면 단계(S6)를 수행하고, 그렇지 않으면 단계(S5)를 수행한다. 여기서, 기준 중간 모듈 온도는 기준 초기 모듈 온도보다 높은 값일 수 있다.
배터리 모듈 냉각 단계(S7)에서, 제어부(140)는 냉각 팬(130)을 예를 들면 정방향으로 회전시킴으로써, 냉각 공기가 배터리 모듈(103)의 입구(102a)에서 출구(102b)를 향하여 흐르도록 한다. 이때, 제어부(140)는, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 냉각 팬(130)을 2단으로 동작시킨다. 여기서, 2단은 1단보다 냉각 팬(130)의 회전 속도가 빠를 수 있다.
모듈 온도가 기준 최종 모듈 온도보다 높은지 판단하는 단계(S8)에서, 제어부(140)는 상술한 바와 같이 획득된 모듈 온도(예를 들면, 최고 온도)가 메모리에 미리 저장되어 있는(또는 설정되어 있는) 기준 최종 모듈 온도보다 높은지 판단한다. 높다면 단계(S9)를 수행하고, 그렇지 않으면 단계(S7)를 수행한다. 여기서, 기준 최종 모듈 온도는 기준 중간 모듈 온도보다 높은 값일 수 있다.
냉각 유동 방향 반전 단계(S9)에서, 제어부(140)는 냉각 팬(130)을 역방향으로 회전시킴으로써, 냉각 공기가 배터리 모듈(103)의 출구(102b)에서 입구(102a)로 흐르도록 한다. 즉, 본 발명의 실시예에서 제어부(140)는 모듈 온도(예를 들면, 최고 온도)가 기준 최종 모듈 온도에 이를 때까지 냉각 팬(130)을 정방향으로 점차 회전 속도를 높이며 회전시켜 냉각 공기가 배터리 모듈(103)의 입구(102a)에서 출구(102b)로 흐르도록 하다가, 모듈 온도(예를 들면, 최고 온도)가 기준 최종 모듈 온도를 초과하게 되면 냉각 팬(130)을 역방향으로 회전시켜 냉각 공기가 배터리 모듈(103)의 출구(102b)에서 입구(102a)로 흐르도록 한다.
즉, 도 4b의 우측 코너에 도시된 바와 같이, 제어부(140)는 모듈 온도(예를 들면, 최고 온도)가 기준 최종 모듈 온도에 도달하기 전까지 공기가 배터리 모듈(103)의 좌측에서 우측으로 흐르게 하다가, 모듈 온도(예를 들면, 최고 온도)가 기준 최종 모듈 온도를 초과하게 되면 공기가 배터리 모듈(103)의 우측에서 좌측으로 흐르게 한다.
따라서, 본 발명의 실시예는 배터리 모듈(103) 내 셀 간 온도 편차를 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 최고 온도를 저감할 수 있도록 한다. 또한, 본 발명의 실시예는 배터리 모듈(103)을 냉각하기 위한 냉각 팬(130)의 구동 속도를 배터리 모듈(103)의 온도에 따라 능동적으로 제어하여, 냉각 팬(130)에 의한 소음을 개선하고 최적의 냉각 효율을 제공한다. 또한, 본 발명의 실시예는 배터리 모듈(103) 내에서 높은 온도와 셀 간 온도 편차로 인해 발생하는 악영향을 줄여서, 배터리 셀(101)의 내구성 및 수명을 향상시킨다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 배터리 모듈의 셀투셀 온도 편차 최소화를 위한 양방향 냉각 시스템(100)의 동작 순서가 도시되어 있다.
도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 양방향 냉각 시스템(100)의 동작 순서는 온도 센싱 단계(S11), 온도 편차 산출 단계(S12), 공기 온도가 기준 공기 온도보다 낮은지 판단하는 단계(S13), 모듈 온도가 기준 모듈 온도보다 높은지 판단하는 단계(S14), 배터리 모듈 냉각 중단 단계(S15), 배터리 모듈 냉각 시작 단계(S16), 온도 편차가 기준 온도 편차보다 높은지 판단하는 단계(S17), 냉각 유동 방향 반전 단계(S18), 배터리 모듈 냉각 단계(S19), 냉각 유동 반전 후 온도 편차가 기준 온도 편차보다 높은지 판단하는 단계(S20) 및 배터리 모듈 냉각 후 온도 편차가 기준 온도 편차보다 높은지 판단하는 단계(S21)를 포함할 수 있다.
온도 센싱 단계(S11)에서, 제어부(140)는 공기 온도 센서(110) 및 모듈 온도 센서(120)를 이용하여 배터리 모듈(103)에 구비된 하우징(102)의 입구(102a)에 대한 공기 온도와, 배터리 모듈(103)에 구비된 하우징(102)의 내측에 위치된 다수의 배터리 셀(101)에 대한 모듈 온도(예를 들면, 최고 온도 및 최저 온도)를 센싱한다.
온도 편차 산출 단계(S12)에서, 제어부(140)는 모듈 온도 센서(120)로부터 획득한 배터리 셀(101)의 최고 온도에서 배터리 셀(101)의 최저 온도를 감산하여, 온도 편차(Δt)를 산출한다. 즉, 제어부(140)는 다수의 배터리 셀(101)의 온도 중 최고 온도에서 다수의 배터리 셀(101)의 온도 중 최저 온도를 감산하여, 온도 편차를 산출한다.
공기 온도가 기준 공기 온도보다 낮은지 판단하는 단계(S13)에서, 제어부(140)는 상술한 바와 같이 획득된 공기 온도가 메모리에 미리 저장되어 있는(또는 설정되어 있는) 기준 공기 온도보다 낮은지 판단한다. 낮다면 단계(S14)를 수행하고, 그렇지 않으면 단계(S15)를 수행한다. 즉, 제어부(140)는 입구(102a)의 공기 온도가 기준 공기 온도보다 낮아야 냉각을 수행할 수 있는 상태가 된다.
모듈 온도가 기준 모듈 온도보다 높은지 판단하는 단계(S14)에서, 제어부(140)는 상술한 바와 같이 획득된 모듈 온도(예를 들면, 최고 온도)가 메모리에 미리 저장되어 있는(또는 설정되어 있는) 기준 모듈 온도보다 높은지 판단한다. 높다면 단계(S16)를 수행하고, 그렇지 않으면 단계(S15)를 수행한다. 즉, 제어부(140)는 모듈 온도(예를 들면, 최고 온도)가 기준 모듈 온도보다 높아야 냉각을 수행할 수 있는 상태가 된다.
배터리 모듈 냉각 중단 단계(S15)에서, 제어부(140)는 입구(102a)의 공기 온도가 기준 공기 온도보다 높거나 또는 모듈 온도(예를 들면, 최고 온도)가 기준 모듈 온도보다 낮을 경우 냉각을 수행할 필요가 없다고 판단하여 냉각을 정지한다. 즉, 제어부(140)는 냉각 팬(130)을 턴오프한다.
배터리 모듈 냉각 시작 단계(S16)에서, 제어부(140)는 냉각 팬(130)을 예를 들면 정방향으로 회전시킴으로써, 냉각 공기가 배터리 모듈(103)의 입구(102a)에서 출구(102b)를 향하여 흐르도록 한다. 이와 같이 냉각 팬(130)이 정방향으로만 계속 회전하게 되면, 배터리 셀(101)의 위치에 따라 즉, 배터리 모듈(103)의 입구(102a)와 출구(102b) 사이에서 온도 편차가 점차 커질 수 있다.
온도 편차가 기준 온도 편차보다 높은지 판단하는 단계(S17)에서, 제어부(140)는 상술한 온도 편차 산출 단계(S12)에서 산출한 온도 편차가 미리 저장된(또는 미리 설정된) 기준 온도 편차보다 높은지 판단한다. 즉, 본 발명에서 제어부(140)는 온도 편차가 미리 저장된 기준 온도 편차에 도달할 때까지 냉각 팬(130)을 예를 들면 정방향으로 회전시킴으로써, 냉각 공기가 배터리 모듈(103)의 입구(102a)에서 출구(102b)를 향하여 흐르도록 한다.
더불어, 제어부(140)는 온도 편차가 기준 온도 편차보다 높다면 단계(S18)를 수행하고 그렇지 않다면 단계(S19)를 수행한다.
냉각 유동 방향 반전 단계(S18)에서, 제어부(140)는 냉각 팬(130)을 역방향으로 회전시킴으로써, 냉각 공기가 배터리 모듈(103)의 출구(102b)에서 입구(102a)로 흐르도록 한다. 즉, 본 발명의 실시예에서 제어부(140)는 온도 편차(예를 들면, 최고 온도와 최저 온도 사이의 편차)가 기준 온도 편차에 이를 때까지 냉각 팬(130)을 정방향으로 회전시켜 냉각 공기가 배터리 모듈(103)의 입구(102a)에서 출구(102b)로 흐르도록 하다가, 온도 편차가 기준 온도 편차를 초과하게 되면 냉각 팬(130)을 역방향으로 회전시켜 냉각 공기가 배터리 모듈(103)의 출구(102b)에서 입구(102a)로 흐르도록 한다.
즉, 도 5b의 우측 코너에 도시된 바와 같이, 제어부(140)는 온도 편차가 기준 온도 편차에 도달하기 전까지 공기가 배터리 모듈(103)의 좌측에서 우측으로 흐르게 하다가, 온도 편차가 기준 온도 편차를 초과하게 되면 공기가 배터리 모듈(103)의 우측에서 좌측으로 흐르게 한다.
배터리 모듈 냉각 단계(S19)에서, 제어부(140)는 냉각 팬(130)을 예를 들면 정방향으로 여전히 회전시킴으로써, 냉각 공기가 배터리 모듈(103)의 입구(102a)에서 출구(102b)를 향하여 흐르도록 한다.
냉각 유동 반전 후 온도 편차가 기준 온도 편차보다 높은지 판단하는 단계(S20)에서, 제어부(140)는 온도 편차가 기준 온도 편차보다 여전히 높은지 판단한다. 제어부(140)는 온도 편치가 기준 온도 편차보다 여전히 높다면 상술한 단계(S18)를 수행하고, 그렇지 않다면 상술한 단계(S19)를 수행한다. 즉, 본 발명에서 냉각 유동 반전 후 온도 편차가 다시 기준 온도 편차보다 작아지면 원래대로 냉각 팬(130)을 정방향으로 회전시킨다.
배터리 모듈 냉각 후 온도 편차가 기준 온도 편차보다 높은지 판단하는 단계(S21)에서, 제어부(140)는 온도 편차가 기준 온도 편차보다 높은지 판단한다. 제어부(140)는 온도 편차가 기준 온도 편차보다 높다면 상술한 단계(S18)를 수행하고, 그렇지 않다면 상술한 단계(S19)를 수행한다. 즉, 본 발명에서 배터리 모듈(103)의 정방향 냉각 시 온도 편차가 기준 온도 편차보다 커지면 냉각 팬(130)을 역방향으로 회전시킨다.
따라서, 본 발명의 실시예는 배터리 모듈(103) 내 셀 간 온도 편차를 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 최고 온도를 저감할 수 있도록 한다. 특히, 본 발명의 실시예는 셀간 온도 편차를 실시간으로 모니터링하면서 배터리 모듈(103)의 냉각 방향을 수시로 변경함으로써, 배터리 셀(101)간 온도 편차를 최소화할 수 있도록 한다. 또한, 본 발명의 실시예는 배터리 모듈(103) 내에서 배터리 셀(101) 간 온도 편차로 인해 발생하는 악영향을 줄여서, 배터리 셀(101)의 내구성 및 수명을 향상시킨다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 배터리 모듈의 셀투셀 온도 편차 최소화를 위한 양방향 냉각 시스템(100)의 동작 순서가 도시되어 있다.
도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 양방향 냉각 시스템(100)의 동작 순서는 온도 센싱 단계(S21), 온도 편차 산출 단계(S22), 공기 온도가 기준 공기 온도보다 낮은지 판단하는 단계(S23), 모듈 온도가 기준 초기 모듈 온도보다 높은지 판단하는 단계(S24), 배터리 모듈 냉각 중단 단계(S25), 배터리 모듈 냉각 시작 단계(S26), C-레이트가 기준 초기 C-레이트보다 높은지 판단하는 단계(S27), 배터리 모듈 냉각 단계(냉각 팬 1단)(S28), C-레이트가 기준 최종 C-레이트보다 높은지 판단하는 단계(S29), 배터리 모듈 냉각 단계(냉각 팬 2단)(S30), 배터리 모듈 냉각 단계(냉각 팬 3단)(S31), 온도 편차가 기준 온도 편차보다 높은지 판단하는 단계(S32), 냉각 유동 방향 반전 단계(S33), 배터리 모듈 냉각 단계(냉각 방향 계속)(S34), 냉각 유동 반전 후 온도 편차가 기준 온도 편차보다 높은지 판단하는 단계(S35), 배터리 모듈 냉각 후 온도 편차가 기준 온도 편차보다 높은지 판단하는 단계(S36), 모듈 온도가 기준 최종 모듈 온도보다 높은지 판단하는 단계(S37), 냉각 유동 방향 반전 단계(S38), 배터리 모듈 냉각 단계(냉각 방향 계속)(S39), 냉각 유동 방향 반전 후 모듈 온도가 기준 최종 모듈 온도보다 높은지 판단하는 단계(S40) 및 배터리 모듈 냉각 후 모듈 온도가 기준 최종 모듈 온도보다 높은지 판단하는 단계(S41)를 포함할 수 있다.
온도 센싱 단계(S21)에서, 제어부(140)는 공기 온도 센서(110) 및 모듈 온도 센서(120)를 이용하여 배터리 모듈(103)에 구비된 하우징(102)의 입구(102a)에 대한 공기 온도와, 배터리 모듈(103)에 구비된 하우징(102)의 내측에 위치된 다수의 배터리 셀(101)에 대한 모듈 온도(예를 들면, 최고 온도 및 최저 온도)를 센싱한다.
온도 편차 산출 단계(S22)에서, 제어부(140)는 모듈 온도 센서(120)로부터 획득한 배터리 셀(101)의 최고 온도에서 배터리 셀(101)의 최저 온도를 감산하여, 온도 편차(Δt)를 산출한다. 즉, 제어부(140)는 다수의 배터리 셀(101)의 온도 중 최고 온도에서 다수의 배터리 셀(101)의 온도 중 최저 온도를 감산하여, 온도 편차를 산출한다.
공기 온도가 기준 공기 온도보다 낮은지 판단하는 단계(S23)에서, 제어부(140)는 상술한 바와 같이 획득된 공기 온도가 메모리에 미리 저장되어 있는(또는 설정되어 있는) 기준 공기 온도보다 낮은지 판단한다. 낮다면 단계(S24)를 수행하고, 그렇지 않으면 단계(S25)를 수행한다. 즉, 제어부(140)는 입구(102a)의 공기 온도가 기준 공기 온도보다 낮아야 냉각을 수행할 수 있는 상태가 된다.
모듈 온도가 기준 초기 모듈 온도보다 높은지 판단하는 단계(S24)에서, 제어부(140)는 상술한 바와 같이 획득된 모듈 온도(예를 들면, 최고 온도)가 메모리에 미리 저장되어 있는(또는 설정되어 있는) 기준 초기 모듈 온도보다 높은지 판단한다. 높다면 단계(S26)를 수행하고, 그렇지 않으면 단계(S25)를 수행한다. 즉, 제어부(140)는 모듈 온도(예를 들면, 최고 온도)가 기준 초기 모듈 온도보다 높아야 냉각을 수행할 수 있는 상태가 된다.
배터리 모듈 냉각 중단 단계(S25)에서, 제어부(140)는 입구(102a)의 공기 온도가 기준 공기 온도보다 높거나 또는 모듈 온도(예를 들면, 최고 온도)가 기준 모듈 온도보다 낮을 경우 냉각을 수행할 필요가 없다고 판단하여 냉각을 정지한다. 즉, 제어부(140)는 냉각 팬(130)을 턴오프한다.
배터리 모듈 냉각 시작 단계(S26)에서, 제어부(140)는 냉각 팬(130)을 예를 들면 정방향으로 회전시킴으로써, 냉각 공기가 배터리 모듈(103)의 입구(102a)에서 출구(102b)를 향하여 흐르도록 한다. 이와 같이 냉각 팬(130)이 정방향으로만 계속 회전하게 되면, 배터리 셀(101)의 위치에 따라 즉, 배터리 모듈(103)의 입구(102a)와 출구(102b) 사이에서 온도 편차가 점차 커질 수 있다.
C-레이트가 기준 초기 C-레이트보다 높은지 판단하는 단계(S27)에서, 제어부(140)는 전류 센서(150)를 통해 센싱된 C-레이트가 메모리에 미리 저장된(또는 설정된) 기준 초기 C-레이트보다 높은지 판단한다. 제어부(140)는 C-레이트가 기준 초기 C-레이트보다 작다면 단계(S28)를 수행하고, C-레이트가 기준 초기 C-레이트보다 크다면 단계(S29)를 수행한다.
배터리 모듈 냉각 단계(냉각 팬 1단)(S28)에서, 제어부(140)는 냉각 팬(130)을 정방향으로 회전시킴으로써, 배터리 모듈(103)의 입구(102a)에서 출구(102b)로 냉각 공기가 흐르도록 한다. 이때, 제어부(140)는 냉각 팬(130)을 1단의 회전 속도를 갖도록 제어할 수 있다.
C-레이트가 기준 최종 C-레이트보다 높은지 판단하는 단계(S29)에서, 제어부(140)는 전류 센서(150)를 통해 센싱된 C-레이트가 메모리에 미리 저장된(또는 설정된) 기준 최종 C-레이트보다 높은지 판단한다. 제어부(140)는 C-레이트가 기준 최종 C-레이트보다 작다면 단계(S30)를 수행하고, C-레이트가 기준 최종 C-레이트보다 크다면 단계(S31)를 수행한다.
배터리 모듈 냉각 단계(냉각 팬 2단)(S30)에서, 제어부(140)는 냉각 팬(130)을 정방향으로 회전시킴으로써, 배터리 모듈(103)의 입구(102a)에서 출구(102b)로 냉각 공기가 흐르도록 한다. 이때, 제어부(140)는 냉각 팬(130)을 1단보다 높은 2단의 회전 속도를 갖도록 제어할 수 있다.
배터리 모듈 냉각 단계(냉각 팬 3단)(S31)에서, 제어부(140)는 냉각 팬(130)을 정방향으로 회전시킴으로써, 배터리 모듈(103)의 입구(102a)에서 출구(102b)로 냉각 공기가 흐르도록 한다. 이때, 제어부(140)는 냉각 팬(130)을 2단보다 높은 3단의 회전 속도를 갖도록 제어할 수 있다.
온도 편차가 기준 온도 편차보다 높은지 판단하는 단계(S32)에서, 제어부(140)는 상술한 온도 편차 산출 단계(S22)에서 산출한 온도 편차가 미리 저장된(또는 미리 설정된) 기준 온도 편차보다 높은지 판단한다. 즉, 본 발명에서 제어부(140)는 온도 편차가 미리 저장된 기준 온도 편차에 도달할 때까지 냉각 팬(130)을 예를 들면 정방향으로 1단 또는 2단의 회전 속도로 동작시킴으로써, 냉각 공기가 배터리 모듈(103)의 입구(102a)에서 출구(102b)를 향하여 흐르도록 한다.
더불어, 제어부(140)는 온도 편차가 기준 온도 편차보다 높다면 단계(S33)를 수행하고 그렇지 않다면 단계(S34)를 수행한다.
냉각 유동 방향 반전 단계(S33)에서, 제어부(140)는 냉각 팬(130)을 역방향으로 회전시킴으로써, 냉각 공기가 배터리 모듈(103)의 출구(102b)에서 입구(102a)로 흐르도록 한다. 즉, 본 발명의 실시예에서 제어부(140)는 온도 편차(예를 들면, 최고 온도와 최저 온도 사이의 편차)가 기준 온도 편차에 이를 때까지 냉각 팬(130)을 정방향으로 회전시켜 냉각 공기가 배터리 모듈(103)의 입구(102a)에서 출구(102b)로 흐르도록 하다가, 온도 편차가 기준 온도 편차를 초과하게 되면 냉각 팬(130)을 역방향으로 회전시켜 냉각 공기가 배터리 모듈(103)의 출구(102b)에서 입구(102a)로 흐르도록 한다.
일례로, 제어부(140)는 온도 편차가 기준 온도 편차에 도달하기 전까지 공기가 배터리 모듈(103)의 좌측에서 우측으로 흐르게 하다가, 온도 편차가 기준 온도 편차를 초과하게 되면 공기가 배터리 모듈(103)의 우측에서 좌측으로 흐르게 한다.
배터리 모듈 냉각 단계(냉각 방향 계속)(S34)에서, 제어부(140)는 냉각 팬(130)을 예를 들면 정방향으로 여전히 회전시킴으로써, 냉각 공기가 배터리 모듈(103)의 입구(102a)에서 출구(102b)를 향하여 흐르도록 한다.
냉각 유동 반전 후 온도 편차가 기준 온도 편차보다 높은지 판단하는 단계(S35)에서, 제어부(140)는 온도 편차가 기준 온도 편차보다 여전히 높은지 판단한다. 제어부(140)는 온도 편치가 기준 온도 편차보다 여전히 높다면 상술한 단계(S33)를 수행하고, 그렇지 않다면 상술한 단계(S34)를 수행한다. 즉, 본 발명에서 냉각 유동 반전 후 온도 편차가 다시 기준 온도 편차보다 작아지면 원래대로 냉각 팬(130)을 정방향으로 회전시킨다.
배터리 모듈 냉각 후 온도 편차가 기준 온도 편차보다 높은지 판단하는 단계(S36)에서, 제어부(140)는 온도 편차가 기준 온도 편차보다 높은지 판단한다. 제어부(140)는 온도 편차가 기준 온도 편차보다 높다면 상술한 단계(S33)를 수행하고, 그렇지 않다면 상술한 단계(S34)를 수행한다. 즉, 본 발명에서 배터리 모듈(103)의 정방향 냉각 시 온도 편차가 기준 온도 편차보다 커지면 냉각 팬(130)을 역방향으로 회전시킨다.
모듈 온도가 기준 최종 모듈 온도보다 높은지 판단하는 단계(S37)에서, 제어부(140)는 상술한 바와 같이 획득된 모듈 온도(예를 들면, 최고 온도)가 메모리에 미리 저장되어 있는(또는 설정되어 있는) 기준 최종 모듈 온도보다 높은지 판단한다. 높다면 단계(S38)를 수행하고, 그렇지 않으면 단계(S39)를 수행한다. 여기서, 기준 최종 모듈 온도는 상술한 기준 초기 모듈 온도보다 높을 수 있다.
냉각 유동 방향 반전 단계(S38)에서, 제어부(140)는 냉각 팬(130)을 역방향으로 회전시킴으로써, 냉각 공기가 배터리 모듈(103)의 출구(102b)에서 입구(102a)로 흐르도록 한다. 즉, 본 발명의 실시예에서 제어부(140)는 모듈 온도가 기준 모듈 온도에 이를 때까지 냉각 팬(130)을 정방향으로 회전시켜 냉각 공기가 배터리 모듈(103)의 입구(102a)에서 출구(102b)로 흐르도록 하다가, 모듈 온도가 기준 최종 모듈 온도를 초과하게 되면 냉각 팬(130)을 역방향으로 회전시켜 냉각 공기가 배터리 모듈(103)의 출구(102b)에서 입구(102a)로 흐르도록 한다.
배터리 모듈 냉각 단계(냉각 방향 계속)(S39)에서, 제어부(140)는 냉각 팬(130)을 예를 들면 정방향으로 여전히 회전시킴으로써, 냉각 공기가 배터리 모듈(103)의 입구(102a)에서 출구(102b)를 향하여 흐르도록 한다.
냉각 유동 방향 반전 후 모듈 온도가 기준 최종 모듈 온도보다 높은지 판단하는 단계(S40)에서, 제어부(140)는 모듈 온도가 기준 최종 모듈 온도보다 여전히 높은지 판단한다. 제어부(140)는 모듈 온도가 기준 최종 모듈 온도보다 여전히 높다면 상술한 단계(S38)를 수행하고, 그렇지 않다면 상술한 단계(S39)를 수행한다. 즉, 본 발명에서 냉각 유동 반전 후 모듈 온도가 기준 최종 모듈 온도보다 작아지면 원래대로 냉각 팬(130)을 정방향으로 회전시킨다.
배터리 모듈 냉각 후 모듈 온도가 기준 최종 모듈 온도보다 높은지 판단하는 단계(S41)에서, 제어부(140)는 모듈 온도가 기준 최종 모듈 온도보다 높은지 판단한다. 제어부(140)는 모듈 온도가 기준 최종 모듈 온도보다 높다면 상술한 단계(S38)를 수행하고, 그렇지 않다면 상술한 단계(S39)를 수행한다. 즉, 본 발명에서 배터리 모듈(103)의 정방향 냉각 시 모듈 온도가 기준 최종 모듈 온도보다 높아지면 냉각 팬(130)을 역방향으로 회전시킨다.
이와 같이 하여, 본 발명의 실시예는 배터리 모듈(103) 내 셀 간 온도 편차를 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 최고 온도를 저감할 수 있도록 한다. 또한, 본 발명의 실시예는 배터리 모듈(103)을 냉각하기 위한 냉각 팬(130)의 구동 속도를 능동적으로 제어하여, 냉각 팬(130)에 의한 소음을 개선하고 최적의 냉각 효율을 제공할 수 있도록 한다. 또한, 본 발명의 실시예는 배터리 모듈(103)의 C-레이트(rate)에 따라 냉각 방법을 다르게 하여, 발열량에 따른 최적의 냉각 효율을 제공할 수 있도록 한다. 또한, 본 발명의 실시예는 배터리 모듈(103) 내에서 높은 온도와 셀 간 온도 편차로 인해 발생하는 악영향을 줄여서, 배터리 셀(101)의 내구성 및 수명을 향상시킬 수 있도록 한다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 배터리 모듈의 셀투셀 온도 편차 최소화를 위한 양방향 냉각 시스템(100)의 동작 순서가 도시되어 있다.
여기서, 도 7a 및 도 7b에 도시된 양방향 냉각 시스템(100)의 동작 순서는 실질적으로 도 6a 및 도 6b에 도시된 양방향 냉각 시스템(100)의 동작 순서와 유사하다. 따라서, 차이점만을 설명하기로 한다.
도 7b에 도시된 바와 같이, 냉각 유동 방향 반전 단계(S33, S38) 이후 동일한 C-레이트 여부 판단 단계(S55, S60)가 수행된다. 이러한 동일한 C-레이트 여부 판단 단계(S55, S60)에서, 제어부(140)는 이전 단계에서 획득한 C-레이트와 현재 단계에서 획득한 C-레이트가 동일한지 여부를 판단한다. 제어부(140)는 이전 C-레이트와 현재 C-레이트가 동일하다면, 단계(S32,S37)를 각각 수행하고, 이전 C-레이트와 현재 C-레이트가 동일하지 않다면, 단계(S27)로 복귀한다.
따라서, 현재 C-레이트가 이전 C-레이트에 대하여 변경되었다면, 현재 C-레이트를 기준 초기 C-레이트 및/또는 기준 최종 C-레이트와 비교함으로써, 배터리 모듈(103)을 정방향으로 냉각(냉각 팬(130)의 속도를 1단, 2단 또는 3단으로 조절)하거나 역방향으로 냉각하도록 함으로써, 배터리 모듈(103) 내의 온도 편차가 신속하게 해소되도록 한다. 즉, 본 발명은 C-레이트가 변경되면, 즉각적으로 냉각 팬의 속도를 조절하거나, 냉각 팬의 회전 속도를 정방향에서 역방향 또는 역방향에서 정방향으로 변경한다. 이에 따라, C-레이트의 변화에 따라 배터리 모듈의 냉각이 더욱 효율적으로 수행된다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 배터리 모듈의 셀투셀 온도 편차 최소화를 위한 양방향 냉각 시스템을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100; 배터리 모듈의 셀투셀 온도 편차 최소화를 위한 양방향 냉각 시스템
101; 배터리 셀 102; 하우징
102a; 입구 102b; 출구
103; 배터리 모듈 110; 공기 온도 센서
120; 모듈 온도 세서 130; 냉각 팬
140; 제어부 150; 전류 센서

Claims (14)

  1. 다수의 배터리 셀과, 상기 배터리 셀의 일측에 냉각 공기가 투입되는 입구와 상기 배터리 셀의 타측에 냉각 공기가 배출되는 출구를 갖는 하우징을 포함하는 배터리 모듈;
    상기 입구의 공기 온도를 센싱하는 공기 온도 센서;
    상기 배터리 셀의 온도를 센싱하는 모듈 온도 센서;
    상기 배터리 모듈의 입구에서 출구로 또는 출구에서 입구로 냉각 공기가 흐르도록 정방향 또는 역방향으로 회전하는 냉각 팬; 및
    상기 공기 온도 센서로부터 획득한 공기 온도가 기준 공기 온도보다 낮고 상기 모듈 온도 센서로부터 획득한 모듈 온도가 기준 초기 모듈 온도보다 높을 경우, 상기 냉각 팬을 정방향으로 회전시켜 상기 냉각 공기가 상기 입구에서 상기 출구로 흐르도록 하고, 상기 모듈 온도 센서로부터 획득한 모듈 온도가 상기 기준 초기 모듈 온도보다 높은 기준 최종 모듈 온도보다 높을 경우, 상기 냉각 팬을 역방향으로 회전시켜 상기 냉각 공기가 상기 출구에서 상기 입구로 흐르도록 하는 제어부를 포함함을 특징으로 하는 배터리 모듈의 셀투셀 온도 편차 최소화를 위한 양방향 냉각 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 공기 온도 센서로부터 획득한 공기 온도가 상기 기준 공기 온도보다 낮거나, 또는 상기 모듈 온도 센서로부터 획득한 상기 모듈 온도가 기준 초기 모듈 온도보다 낮을 경우, 상기 냉각 팬의 동작을 정지시킴을 특징으로 하는 배터리 모듈의 셀투셀 온도 편차 최소화를 위한 양방향 냉각 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 모듈 온도 센서로부터 획득한 상기 모듈 온도가 상기 기준 초기 모듈 온도보다 높고 상기 기준 최종 모듈 온도보다 낮을 경우, 상기 냉각 팬의 정방향 회전 속도를 증가시킴을 특징으로 하는 배터리 모듈의 셀투셀 온도 편차 최소화를 위한 양방향 냉각 시스템.
  4. 다수의 배터리 셀과, 상기 배터리 셀의 일측에 냉각 공기가 투입되는 입구와 상기 배터리 셀의 타측에 냉각 공기가 배출되는 출구를 갖는 하우징을 포함하는 배터리 모듈;
    상기 입구의 공기 온도를 센싱하는 공기 온도 센서;
    상기 배터리 셀의 온도를 센싱하는 모듈 온도 센서;
    상기 배터리 모듈의 입구에서 출구로 또는 출구에서 입구로 냉각 공기가 흐르도록 정방향 또는 역방향으로 회전하는 냉각 팬; 및
    상기 공기 온도 센서로부터 획득한 공기 온도가 기준 공기 온도보다 낮고 상기 모듈 온도 센서로부터 획득한 모듈 온도가 기준 초기 모듈 온도보다 높을 경우, 상기 냉각 팬을 정방향으로 회전시켜 상기 냉각 공기가 상기 입구에서 상기 출구로 흐르도록 하고, 상기 모듈 온도 센서로부터 획득한 모듈 최고 온도와 모듈 최저 온도 사이의 온도 편차를 산출하여 상기 온도 편차가 기준 온도 편차보다 높을 경우, 상기 냉각 팬을 역방향으로 회전시켜 상기 냉각 공기가 상기 출구에서 상기 입구로 흐르도록 하는 제어부를 포함함을 특징으로 하는 배터리 모듈의 셀투셀 온도 편차 최소화를 위한 양방향 냉각 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 공기 온도 센서로부터 획득한 공기 온도가 상기 기준 공기 온도보다 낮거나, 또는 상기 모듈 온도 센서로부터 획득한 모듈 온도가 상기 기준 초기 모듈 온도보다 낮을 경우, 상기 냉각 팬의 동작을 정지시킴을 특징으로 하는 배터리 모듈의 셀투셀 온도 편차 최소화를 위한 양방향 냉각 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 냉각 팬을 역방향으로 회전시킨 후, 상기 온도 편차가 상기 기준 온도 편차보다 낮을 경우, 상기 냉각 팬을 정방향으로 회전시켜 상기 냉각 공기가 상기 입구에서 상기 출구로 흐르도록 함을 특징으로 하는 배터리 모듈의 셀투셀 온도 편차 최소화를 위한 양방향 냉각 시스템.
  7. 다수의 배터리 셀과, 상기 배터리 셀의 일측에 냉각 공기가 투입되는 입구와 상기 배터리 셀의 타측에 냉각 공기가 배출되는 출구를 갖는 하우징을 포함하는 배터리 모듈;
    상기 입구의 공기 온도를 센싱하는 공기 온도 센서;
    상기 배터리 셀의 온도를 센싱하는 모듈 온도 센서;
    상기 배터리 셀의 충방전 C-레이트를 센싱하는 전류 센서;
    상기 배터리 모듈의 입구에서 출구로 또는 출구에서 입구로 냉각 공기가 흐르도록 정방향 또는 역방향으로 회전하는 냉각 팬; 및
    상기 공기 온도 센서로부터 획득한 공기 온도가 기준 공기 온도보다 낮고 상기 모듈 온도 센서로부터 획득한 모듈 온도가 기준 초기 모듈 온도보다 높을 경우, 상기 냉각 팬을 정방향으로 회전시켜 상기 냉각 공기가 상기 입구에서 상기 출구로 흐르도록 하고, 상기 전류 센서로부터 획득한 C-레이트에 따라 상기 냉각 팬의 정방향 회전 속도를 조절하는 제어부를 포함함을 특징으로 하는 배터리 모듈의 셀투셀 온도 편차 최소화를 위한 양방향 냉각 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 공기 온도 센서로부터 획득한 공기 온도가 상기 기준 공기 온도보다 낮거나, 또는 상기 모듈 온도 센서로부터 획득한 모듈 온도가 상기 기준 초기 모듈 온도보다 낮을 경우, 상기 냉각 팬의 동작을 정지시킴을 특징으로 하는 배터리 모듈의 셀투셀 온도 편차 최소화를 위한 양방향 냉각 시스템.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 전류 센서로부터 획득한 C-레이트가 기준 초기 C-레이트 또는 상기 기준 초기 C-레이트보다 높은 기준 최종 C-레이트보다 낮고, 상기 모듈 온도 센서로부터 획득한 모듈 최고 온도와 모듈 최저 온도 사이의 온도 편차를 산출하여 상기 온도 편차가 기준 온도 편차보다 높을 경우, 상기 냉각 팬을 역방향으로 회전시켜 상기 냉각 공기가 상기 출구에서 상기 입구로 흐르도록 함을 특징으로 하는 배터리 모듈의 셀투셀 온도 편차 최소화를 위한 양방향 냉각 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 냉각 팬을 역방향으로 회전시킨 후, 상기 온도 편차가 상기 기준 온도 편차보다 낮을 경우, 상기 냉각 팬을 정방향으로 회전시켜 상기 냉각 공기가 상기 입구에서 상기 출구로 흐르도록 함을 특징으로 하는 배터리 모듈의 셀투셀 온도 편차 최소화를 위한 양방향 냉각 시스템.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 냉각 팬을 역방향으로 회전시킨 후, 상기 전류 센서로부터 획득한 C-레이트가 변경되었을 경우, 상기 C-레이트에 따른 상기 냉각 팬의 정방향 회전 속도를 재조절함을 특징으로 하는 배터리 모듈의 셀투셀 온도 편차 최소화를 위한 양방향 냉각 시스템.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 전류 센서로부터 획득한 C-레이트가 상기 기준 최종 C-레이트보다 높고, 상기 모듈 온도 센서로부터 획득한 모듈 온도가 상기 기준 초기 모듈 온도보다 높은 기준 최종 모듈 온도보다 높을 경우, 상기 냉각 팬을 역방향으로 회전시켜 냉각 공기가 상기 출구에서 상기 입구로 흐르도록 함을 특징으로 하는 배터리 모듈의 셀투셀 온도 편차 최소화를 위한 양방향 냉각 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 냉각 팬을 역방향으로 회전시킨 후, 상기 모듈 온도가 상기 기준 최종 모듈 온도보다 낮을 경우, 상기 냉각 팬을 정방향으로 회전시켜 상기 냉각 공기가 상기 입구에서 상기 출구로 흐르도록 함을 특징으로 하는 배터리 모듈의 셀투셀 온도 편차 최소화를 위한 양방향 냉각 시스템.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 냉각 팬을 역방향으로 회전시킨 후, 상기 전류 센서로부터 획득한 C-레이트가 변경되었을 경우, 상기 C-레이트에 따른 상기 냉각 팬의 정방향 회전 속도를 재조절함을 특징으로 하는 배터리 모듈의 셀투셀 온도 편차 최소화를 위한 양방향 냉각 시스템.
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