KR20210158036A - 배터리 장치 및 그 냉각 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

배터리 장치는 배터리 장치의 온도를 측정하고, 배터리 장치의 온도가 대기 온도보다 높은 경우에, 배터리 장치의 온도와 대기 온도의 차이를 포함하는 정보에 기초해서 자연 감소 추정 온도를 결정하고, 정지 온도의 기준 온도와 자연 감소 추정 온도에 기초해서 정지 온도를 결정하고, 배터리 모듈의 온도가 정지 온도보다 낮은 경우에, 배터리 장치의 냉각 동작을 정지할 수 있다.

Description

배터리 장치 및 그 냉각 제어 방법{BATTERY APPARATUS AND COOLING CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 배터리 장치 및 그 냉각 제어 방법에 관한 것이다.
전기 자동차 또는 하이브리드 자동차는 배터리를 전원으로 이용하여 모터를 구동함으로써 동력을 얻는 자동차로서, 내연 자동차의 공해 및 에너지 문제를 해결할 수 있는 대안이라는 점에서 연구가 활발하게 진행되고 있다. 또한, 충전이 가능한 배터리는 전기 자동차 이외에 다양한 전자 장치에서 사용되고 있다.
배터리에는 내부 저항이 존재하므로, 배터리의 충방전이 반복됨에 따라 배터리의 온도는 상승한다. 배터리의 온도 상승은 배터리 성능과 내구성에 영향을 미치기 때문에, 배터리가 일정의 온도를 유지하도록 냉각 시스템이 사용된다. 배터리의 냉각 동작은 냉각 시스템에 장착된 온도 센서가 측정한 온도에 기초해서 제어된다. 일반적으로, 배터리의 온도가 임계 온도를 넘어가면 냉각 시스템의 냉각 동작이 시작되고, 냉각 동작에 의해 배터리의 온도가 지정한 온도 아래로 내려가면 냉각 시스템의 냉각 동작이 정지한다.
그런데 자동차가 주행 중이고 대기 온도가 배터리의 온도보다 낮은 상황에서는 대류 작용으로 인해 배터리의 냉각 효과를 기대할 수 있지만, 기존의 냉각 시스템은 주변 영향을 고려하지 않고 배터리의 온도가 지정 온도 아래로 내려갈 때까지 가동되므로, 전력 소모량이 많고 냉각 시스템의 내구성도 떨어질 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 과제는 주변 영향을 고려할 수 있는 배터리 장치 및 그 냉각 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 배터리 모듈, 상기 배터리 모듈의 냉각에 사용되는 냉각 장치, 그리고 처리 회로를 포함하는 배터리 장치가 제공될 수 있다. 상기 처리 회로는 상기 배터리 모듈의 온도가 대기 온도보다 높은 경우에, 상기 배터리 모듈의 온도와 상기 대기 온도의 차이를 포함하는 정보에 기초해서 자연 감소 추정 온도를 결정하고, 정지 온도의 기준 온도와 상기 자연 감소 추정 온도에 기초해서 상기 정지 온도를 결정하고, 상기 배터리 모듈의 온도가 상기 정지 온도보다 낮은 경우에, 상기 냉각 장치의 동작을 정지할 수 있다.
상기 배터리 모듈의 온도가 대기 온도보다 높지 않은 경우에, 상기 처리 회로는 상기 기준 온도를 상기 정지 온도로 결정할 수 있다.
상기 처리 회로는 상기 기준 온도와 상기 자연 감소 추정 온도의 합을 상기 정지 온도로 결정할 수 있다.
상기 배터리 모듈의 온도와 상기 대기 온도의 차이가 제1 온도인 경우의 상기 자연 감소 추정 온도는 상기 배터리 모듈의 온도와 상기 대기 온도의 차이가 상기 제1 온도보다 큰 제2 온도인 경우의 상기 자연 감소 추정 온도보다 작을 수 있다.
상기 정보는 상기 배터리 장치가 장착되는 이동 수단의 속도를 더 포함할 수 있다.
상기 이동 수단의 속도가 제1 속도인 경우의 상기 자연 감소 추정 온도는 상기 이동 수단의 상기 속도가 상기 제1 속도보다 빠른 제2 속도인 경우의 상기 자연 감소 추정 온도보다 작을 수 있다.
상기 이동 수단의 속도가 0인 경우, 상기 처리 회로는 상기 상기 기준 온도를 상기 정지 온도로 결정할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 이동 수단에 장착된 배터리 장치의 냉각 제어 방법이 제공될 수 있다. 상기 배터리 장치는 상기 배터리 장치의 온도를 측정하고, 상기 배터리 장치의 온도가 상기 대기 온도보다 높은 경우에, 상기 배터리 장치의 온도와 상기 대기 온도의 차이를 포함하는 정보에 기초해서 자연 감소 추정 온도를 결정하고, 정지 온도의 기준 온도와 상기 자연 감소 추정 온도에 기초해서 상기 정지 온도를 결정하고, 상기 배터리 모듈의 온도가 상기 정지 온도보다 낮은 경우에, 상기 배터리 장치의 냉각 동작을 정지할 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 냉각 장치의 동작으로 인한 소모 전력을 줄일 수 있으며, 냉각 장치의 내구성을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 냉각 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 냉각 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 장치를 나타내는 도면이다.
도 1을 참고하면, 배터리 장치(100)는 외부 장치에 전기적으로 연결될 수 있는 구조를 가진다. 외부 장치가 부하인 경우, 배터리 장치(100)는 부하로 전력을 공급하는 전원으로 동작하여 방전된다. 외부 장치가 충전기인 경우, 배터리 장치(100)는 충전기를 통해 외부 전력을 공급받아 충전된다. 부하로 동작하는 외부 장치는 예를 들면 전자 장치, 이동 수단 또는 에너지 저장 시스템(energy storage system, ESS)일 수 있으며, 이동 수단은 예를 들면 전기 자동차, 하이브리드 자동차 또는 스마트 모빌리티(smart mobility)일 수 있다.
배터리 장치(100)는 배터리 모듈(110), 냉각 장치(120) 및 처리 회로(130)를 포함한다.
배터리 모듈(110)은 전기적으로 연결되어 있는 복수의 배터리 셀(도시하지 않음)을 포함한다. 어떤 실시예에서, 배터리 셀은 충전 가능한 2차 전지일 수 있다. 한 실시예에서, 배터리 모듈(110)에서 소정 개수의 배터리 셀이 직렬 연결되어 배터리 세트를 구성하여 원하는 전력을 공급할 수 있다. 다른 실시예에서, 배터리 모듈(110)에서 소정 개수의 배터리 세트가 직렬 또는 병렬 연결되어 원하는 전력을 공급할 수 있다.
냉각 장치(120)는 배터리 모듈(110)을 냉각하는 동작을 수행하며, 처리 회로(130)에 의해 냉각 동작이 제어될 수 있다. 냉각 장치(120)로 배터리 모듈(110)의 온도를 낮출 수 있는 다양한 냉각 장치가 사용될 수 있다. 어떤 실시예에서, 냉각 장치(120)는 배터리 모듈(110)의 한 면 또는 양면에 배치될 수 있다. 예를 들면, 냉각 장치(120)에는 냉각수가 이동하는 냉각 유로가 형성되어 있으며, 냉각 유로로의 냉각수의 유동이 처리 회로(130)에 의해 제어될 수 있다. 다른 예로, 냉각 장치(120)는 냉각 팬을 포함하고, 냉각 팬의 동작이 처리 회로(130)에 의해 제어될 수 있다.
처리 회로(130)는 배터리 모듈(110)의 온도와 대기 온도에 기초해서 냉각 장치(120)의 냉각 동작을 제어한다. 어떤 실시예에서, 외부 장치가 차량과 같은 이동 수단인 경우, 처리 회로(130)는 냉각 장치(120)의 냉각 동작의 제어를 위해 차량의 속도를 더 고려할 수 있다.
어떤 실시예에서, 처리 회로(130)는 프로세서를 포함할 수 있다. 프로세서는 예를 들면 마이크로 제어 장치(micro controller unit, MCU)일 수 있다. 어떤 실시예에서, 처리 회로(130)는 배터리 모듈(110)을 관리하는 배터리 관리 시스템(battery management system)에 포함될 수 있다.
어떤 실시예에서, 배터리 장치(100)는 배터리 모듈(110)의 온도를 감지하는 온도 센서를 더 포함할 수 있다. 어떤 실시예에서, 대기 온도를 감지하는 온도 센서가 배터리 장치(100) 또는 외부 장치에 장착되어 있을 수 있다. 어떤 실시예에서, 배터리 관리 시스템이 배터리 모듈(110)의 온도와 대기 온도를 수집하여서 처리 회로(130)로 제공할 수 있다.
다음, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 배터리 장치의 냉각 제어 방법에 대해서 도 2 내지 도 4를 참고로 하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 냉각 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 배터리 모듈(110)의 온도가 임계 온도를 넘는 경우, 처리 회로(130)는 냉각 장치(120)가 냉각을 시작하도록 제어한다(S210). 냉각 장치(120)의 냉각 동작에 의해 배터리 모듈(110)의 온도가 내려갈 수 있다.
다음 처리 회로(130)는 배터리 모듈(110)의 온도와 대기 온도를 비교한다(S220). 어떤 실시예에서, 처리 회로(130)는 배터리 모듈(110) 측에 장착된 온도 센서로부터 배터리 모듈(110)의 온도를 수신할 수 있다. 또한 처리 회로(130)는 대기 온도를 측정할 수 있는 위치에 장착된 온도 센서로부터 대기 온도를 수신할 수 있다.
배터리 모듈(110)의 온도가 대기 온도보다 높으면(S220), 처리 회로(130)는 냉각 장치(120)의 냉각 동작 정지를 결정할 때 사용되는 냉각 동작 정지 온도를 조절한다(S230, S240). 어떤 실시예에서, 처리 회로(130)는 냉각 동작 정지 온도의 기본값으로 지정된 기준 온도와 자연 감소 추정 온도에 기초해서 냉각 동작 정지 온도를 결정할 수 있다(S240). 한 실시예에서, 처리 회로(130)는 냉각 동작 정지 온도의 기준 온도에 자연 감소 추정 온도를 더한 값으로 냉각 동작 정지 온도를 결정할 수 있다(S240). 자연 감소 추정 온도는 배터리 모듈(110)의 온도가 주변 영향에 의해서 감소할 것으로 추정되는 온도이다.
어떤 실시예에서, 처리 회로(130)는 배터리 모듈(110)의 온도와 대기 온도의 차이에 기초해서 자연 감소 추정 온도를 결정할 수 있다(S230). 한 실시예에서, 배터리 모듈(110)의 온도와 대기 온도의 차가 클수록 자연 감소 추정 온도가 크게 설정될 수 있다. 한 실시예에서, 온도 범위에 따라 복수의 온도차 구간을 설정하고, 각 온도차 구간에 자연 감소 추정 온도를 할당할 수 있다. 이 경우, 온도차 구간의 온도(예를 들면, 온도차 구간의 평균 온도, 중간 온도, 최저 온도, 최고 온도 등)가 높을수록 자연 감소 추정 온도가 크게 설정될 수 있다. 예를 들면, 온도차 구간에 따른 자연 감소 추정 온도가 표 1과 같이 설정될 수 있다. 이에 따라, 처리 회로(130)는 배터리 모듈(110)의 온도와 대기 온도의 차에 해당하는 자연 감소 추정 온도를 결정할 수 있다.
온도차 추정 온도
0∼10 (℃) 1 (℃)
10∼20 (℃) 2 (℃)
20∼30 (℃) 3 (℃)
한편, 배터리 모듈(110)의 온도가 대기 온도보다 높지 않은 경우(S220), 처리 회로(130)는 냉각 동작 정지 온도를 기준 온도와 동일하게 설정한다(S250).
다음, 처리 회로(130)는 배터리 모듈(110)의 온도와 냉각 동작 정지 온도를 비교하고(S260), 냉각 동작 정지 온도가 배터리 모듈(110)의 온도보다 높으면 냉각 장치의 냉각 동작을 정지시킨다(S270). 한편, 냉각 동작 정지 온도가 배터리 모듈(110)의 온도보다 높지 않으면, 배터리 모듈(110)의 냉각을 지속하고 다시 단계 S220의 과정부터 반복한다.
이와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따르면, 대기 온도가 배터리 모듈의 온도보다 낮은 상태에서는 대류 작용으로 인해 배터리 모듈이 냉각될 수 있으므로, 대기 온도가 낮을수록 냉각 동작 정지 온도를 높일 수 있다. 이에 따라, 대기 온도가 낮을수록 냉각 장치가 빨리 정지하여서 배터리 모듈의 냉각에 영향을 주지 않으면서 냉각 장치의 동작으로 인한 소모 전력을 줄이고, 또한 냉각 장치의 내구성을 높일 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 1 및 도 3을 참고하면, 배터리 모듈(110)의 온도가 임계 온도를 넘는 경우, 처리 회로(130)는 냉각 장치(120)가 냉각을 시작하도록 제어한다(S310). 다음, 처리 회로(130)는 배터리 모듈(110)의 온도와 대기 온도를 비교한다(S320).
배터리 모듈(110)의 온도가 대기 온도보다 높으면(S320), 처리 회로(130)는 배터리 장치가 장착된 이동 수단(예를 들면, 차량)의 속도를 확인하고(S325), 냉각 동작 정지 온도를 조절한다(S330, S340). 어떤 실시예에서, 처리 회로(130)는 냉각 동작 정지 온도의 기준 온도와 자연 감소 추정 온도에 기초해서 냉각 동작 정지 온도를 결정할 수 있다(S340). 한 실시예에서, 처리 회로(130)는 냉각 동작 정지 온도의 기준 온도에 자연 감소 추정 온도를 더한 값으로 냉각 동작 정지 온도를 결정할 수 있다(S340).
어떤 실시예에서, 처리 회로(130)는 배터리 모듈(110)의 온도와 대기 온도의 차이와 차량의 속도에 기초해서 자연 감소 추정 온도를 결정할 수 있다(S330). 한 실시예에서, 배터리 모듈(110)의 온도와 대기 온도의 차가 클수록 자연 감소 추정 온도가 크게 설정되고, 차량의 속도가 높을수록 자연 감소 추정 온도가 크게 설정될 수 있다. 한 실시예에서, 온도 범위에 따라 복수의 온도차 구간을 설정하고, 각 온도차 구간에 자연 감소 추정 온도를 할당할 수 있다. 이 경우, 온도차 구간의 온도(예를 들면, 온도차 구간의 평균 온도, 중간 온도, 최저 온도, 최고 온도 등)가 높을수록 자연 감소 추정 온도가 크게 설정될 수 있다. 한 실시예에서, 차량 속도의 범위에 따라 복수의 차속 구간을 설정하고, 각 차속 구간에 자연 감소 추정 온도를 할당할 수 있다. 이 경우, 차속 구간의 속도(예를 들면, 차속 구간의 평균 속도, 중간 속도, 최저 속도, 최고 속도 등)가 높을수록 자연 감소 추정 온도가 크게 설정될 수 있다. 예를 들면, 온도차 구간 및 차속 구간에 따른 자연 감소 추정 온도가 표 2와 같이 설정될 수 있다. 이에 따라, 처리 회로(130)는 배터리 모듈(110)의 온도와 대기 온도의 차 및 차량의 속도에 해당하는 자연 감소 추정 온도를 결정할 수 있다.
차속
온도차		 0∼40
(km/h)		 40∼80
(km/h)		 80∼
(km/h)
0∼10 (℃) 1 (℃) 2 (℃) 3 (℃)
10∼20 (℃) 2 (℃) 3 (℃) 4 (℃)
20∼30 (℃) 3 (℃) 4 (℃) 5 (℃)
한편, 배터리 모듈(110)의 온도가 대기 온도보다 높지 않은 경우(S320), 처리 회로(130)는 냉각 동작 정지 온도를 기준 온도와 동일하게 설정한다(S350).
다음, 처리 회로(130)는 배터리 모듈(110)의 온도와 냉각 동작 정지 온도를 비교하고(S360), 냉각 동작 정지 온도가 배터리 모듈(110)의 온도보다 높으면 냉각 장치의 냉각 동작을 정지시킨다(S370). 한편, 냉각 동작 정지 온도가 배터리 모듈(110)의 온도보다 높지 않으면, 배터리 모듈(110)의 냉각을 지속하고 다시 단계 S320의 과정부터 반복한다.
이와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 대기 온도가 배터리 모듈의 온도보다 낮은 상태에서는 대류 작용으로 인해 배터리 모듈이 냉각될 수 있으므로, 대기 온도가 낮을수록 냉각 동작 정지 온도를 높일 수 있다. 특히, 배터리 모듈이 장착된 차량의 속도가 빠를수록 대류 효과가 높으므로, 차량의 속도가 높을수록 냉각 동작 정지 온도를 높일 수 있다 이에 따라, 대기 온도가 낮거나 차량의 속도가 높을수록 냉각 장치가 빨리 정지하여서 배터리 모듈의 냉각에 영향을 주지 않으면서 냉각 장치의 동작으로 인한 소모 전력을 줄이고, 또한 냉각 장치의 내구성을 높일 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 냉각 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.
차량이 이동 중인 경우에 대류 효과를 기대할 수 있으므로, 본 발명의 또 다른 실시예에서는 도 3을 참고로 하여 설명한 실시예와 달리, 차량이 이동 중이지 않은 경우에는 냉각 동작 정지 속도를 조절하지 않을 수 있다.
도 1 및 도 4를 참고하면, 배터리 모듈(110)의 온도가 대기 온도보다 높으면(S320), 처리 회로(130)는 배터리 장치가 장착된 차량의 속도가 0보다 높은지 판단한다(S425). 차량의 속도가 0보다 높으면(S425), 처리 회로(130)는 도 3을 참고로 하여 설명한 것처럼 냉각 동작 정지 온도를 조절한다(S330, S340).
한편, 차량의 속도가 0보다 높지 않으면(S425), 배터리 모듈(110)의 온도가 대기 온도보다 높더라도, 처리 회로(130)는 냉각 동작 정지 온도를 기준 온도와 동일하게 설정한다(S350).
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (12)

  1. 배터리 모듈,
    상기 배터리 모듈의 냉각에 사용되는 냉각 장치, 그리고
    상기 배터리 모듈의 온도가 대기 온도보다 높은 경우에, 상기 배터리 모듈의 온도와 상기 대기 온도의 차이를 포함하는 정보에 기초해서 자연 감소 추정 온도를 결정하고, 정지 온도의 기준 온도와 상기 자연 감소 추정 온도에 기초해서 상기 정지 온도를 결정하고, 상기 배터리 모듈의 온도가 상기 정지 온도보다 낮은 경우에, 상기 냉각 장치의 동작을 정지하는 처리 회로
    를 포함하는 배터리 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 배터리 모듈의 온도가 대기 온도보다 높지 않은 경우에, 상기 처리 회로는 상기 기준 온도를 상기 정지 온도로 결정하는, 배터리 장치.
  3. 제1항에서,
    상기 처리 회로는 상기 기준 온도와 상기 자연 감소 추정 온도의 합을 상기 정지 온도로 결정하는, 배터리 장치.
  4. 제1항에서,
    상기 배터리 모듈의 온도와 상기 대기 온도의 차이가 제1 온도인 경우의 상기 자연 감소 추정 온도는 상기 배터리 모듈의 온도와 상기 대기 온도의 차이가 상기 제1 온도보다 큰 제2 온도인 경우의 상기 자연 감소 추정 온도보다 작은, 배터리 장치.
  5. 제1항에서,
    상기 정보는 상기 배터리 장치가 장착되는 이동 수단의 속도를 더 포함하는 배터리 장치.
  6. 제5항에서,
    상기 이동 수단의 속도가 제1 속도인 경우의 상기 자연 감소 추정 온도는 상기 이동 수단의 상기 속도가 상기 제1 속도보다 빠른 제2 속도인 경우의 상기 자연 감소 추정 온도보다 작은, 배터리 장치.
  7. 제5항에서,
    상기 이동 수단의 속도가 0인 경우, 상기 처리 회로는 상기 상기 기준 온도를 상기 정지 온도로 결정하는, 배터리 장치.
  8. 이동 수단에 장착된 배터리 장치의 냉각 제어 방법으로서,
    상기 배터리 장치의 온도를 측정하는 단계,
    상기 배터리 장치의 온도가 상기 대기 온도보다 높은 경우에, 상기 배터리 장치의 온도와 상기 대기 온도의 차이를 포함하는 정보에 기초해서 자연 감소 추정 온도를 결정하는 단계,
    정지 온도의 기준 온도와 상기 자연 감소 추정 온도에 기초해서 상기 정지 온도를 결정하는 단계, 그리고
    상기 배터리 장치의 온도가 상기 정지 온도보다 낮은 경우에, 상기 배터리 장치의 냉각 동작을 정지하는 단계
    를 포함하는 냉각 제어 방법.
  9. 제8항에서,
    상기 배터리 장치의 온도가 대기 온도보다 높지 않은 경우에, 상기 기준 온도를 상기 정지 온도로 결정하는 단계를 포함하는 냉각 제어 방법.
  10. 제8항에서,
    상기 배터리 장치의 온도와 상기 대기 온도의 차이가 제1 온도인 경우의 상기 자연 감소 추정 온도는 상기 배터리 장치의 온도와 상기 대기 온도의 차이가 상기 제1 온도보다 큰 제2 온도인 경우의 상기 자연 감소 추정 온도보다 작은, 냉각 제어 방법.
  11. 제8항에서,
    상기 정보는 상기 이동 수단의 속도를 더 포함하는 냉각 제어 방법.
  12. 제11항에서,
    상기 이동 수단의 속도가 제1 속도인 경우의 상기 자연 감소 추정 온도는 상기 이동 수단의 상기 속도가 상기 제1 속도보다 빠른 제2 속도인 경우의 상기 자연 감소 추정 온도보다 작은, 냉각 제어 방법.
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