KR20220080760A - 배터리 케이스 및 이를 포함하는 배터리의 열관리 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리 케이스 및 이를 포함하는 배터리의 열관리 시스템에 관한 것으로, 배터리 케이스는 일측으로 개구되는 함체 형상으로 내측에 배터리가 탈착되는 배터리 삽입공간을 구비하며, 내부에 구비되되 내측벽과 외측벽 사이에 마련되어 배터리 삽입공간을 둘러싸도록 구비되고, 내부에 칸막이가 설치되어 냉각수를 저장하는 탱크부와 냉각수를 순환시키는 자켓부로 구분되는 냉각수 수용공간이 마련되어 배터리의 온도관리가 용이하며 간소화된 배터리의 열관리 시스템을 제공한다.

Description

배터리 케이스 및 이를 포함하는 배터리의 열관리 시스템 {BATTERY CASE AND SYSTEM OF HEAT MANAGEMENT FOR BATTERY COMPRISING THEREOF}
본 발명은 배터리 케이스 및 이를 포함하는 배터리의 열관리 시스템에 관한 것으로, 구성이 간단하며 배터리의 열관리가 용이한 배터리 케이스 및 이를 포함하는 배터리의 열관리 시스템을 제공한다.
최근 환경친화적 기술의 구현 및 에너지 고갈 등의 문제해결을 사회적 이슈로 대두되고 있는 것이 전기 자동차이다. 전기 자동차는 배터리로부터 전기를 공급받아 동력을 출력하는 모터를 이용하여 작동하고, 따라서 이산화탄소의 배출이 없고, 소음이 아주 작으며, 모터의 에너지효율은 엔진의 에너지효율보다 높은 장점이 있어 친환경 자동차로 각광받고 있다.
이런 전기 자동차를 구현함에 있어 핵심기술은 배터리 모듈과 관련한 기술이며, 최근 배터리의 경량, 소형화, 짧은 충전시간 등에 대한 연구가 활발히 이루어 지고 있다. 배터리 모듈은 최적의 온도환경에서 사용하여야 최적의 성능과 긴 수명을 유지할 수 있다. 그러나 구동 중 발생하는 열과 외부의 온도변화에 의해 최적의 온도환경에서 사용하기 어렵다.
이에 따라 배터리 모듈의 최적의 온도환경 유지를 위한 전기차용 배터리 온도관리 시스템의 한가지 예가 한국등록특허 제2140659호(이하, '선행문헌'이라 함)에 상세히 개시되어 있다.
선행문헌에 개시된 전기차용 배터리 온도관리 시스템은 모터모듈, 라디에이터, 펌프 외에 칠러와 냉각수를 보관하는 리저버 탱크를 구비하여 배터리를 냉각하고, 모터의 패열을 사용하며 별도의 히터를 구비하여 배터리를 승온하는 기술이 개시되어 있다.
그러나, 선행문헌에 개시된 배터리 온도관리 시스템은 시스템을 이루는 구성이 많아서 복잡하며 소형화가 어려워 소형 전동 차량에 적용하기가 어렵고, 제조원가가 증가할 뿐만 아니라 유지 비용이 증가하게 되는 문제점이 있었다.
그리고, 각각의 구성을 구동시키기 위한 전력이 필요함에 따라 전체적인 전력 소비율이 현저히 커져 전체적으로 에너지 효율이 크게 떨어지는 문제점이 있었다.
0001)대한민국 등록특허공보 제10-2140658호
본 발명은 전술한 배경에서 안출된 것으로, 배터리가 탈착되어 설치가 쉽고 냉각수를 저장하는 탱크부와 냉각수가 순환하는 자켓부가 각각 분리된 상태로 내장되어 배터리의 온도관리가 용이한 배터리 케이스를 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 내부에 열선이 설치됨에 따라 배터리에 열을 공급하기 위한 별도의 히터가 필요하지 않으며 배터리의 열관리 시스템의 구성을 간소화하는 배터리 케이스를 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 종래의 별도의 히터, 칠러, 리저버 탱크를 삭제함에 따라 제조원가를 감소시키며 유지 비용을 절약할 수 있는 배터리의 열관리 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
특히, 구성이 간소화되며 소형화되어 소형 전동 차량에도 적용할 수 있고, 각각의 구성을 구동시키는 전력을 절감할 수 있어서 전체적인 전력 소비율을 감소시키며 에너지 효율을 높이는 배터리의 열관리 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적은 여기에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따르면 일측으로 개구되는 함체 형상으로 내측에 배터리가 탈착되는 배터리 삽입공간을 구비하며, 내부에 구비되되 내측벽과 외측벽 사이에 마련되어 배터리 삽입공간을 둘러싸도록 구비되고, 내부에 칸막이가 설치되어 냉각수를 저장하는 탱크부와 냉각수를 순환시키는 자켓부로 구분되는 냉각수 수용공간이 마련되는 배터리 케이스가 제공될 수 있다.
여기서, 자켓부는 내부에 외측벽의 일측면과 타측면에서 돌출되어 형성되되 대향하는 외측벽과 이격되도록 형성된 다수의 제1 격벽과 제2 격벽이 형성되고, 제1 격벽과 제2 격벽이 교대로 형성되어 냉각수의 냉각유로를 형성할 수 있다.
또한, 탱크부는 냉각수가 유입되는 탱크 입구와 냉각수를 유출하는 탱크 출구를 구비하고, 자켓부는 냉각수가 유입되는 자켓 입구와 냉각수를 유출하는 자켓 출구를 구비할 수 있다.
그리고, 내측벽의 배터리와 마주보는 면에는 배터리를 예열하는 승온모드시 열을 제공하는 열선이 설치될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 전기차 구동을 위한 전력을 공급하는 배터리가 탈착되고, 내부에 냉각수를 저장하는 탱크부와 냉각수를 순환시키는 자켓부가 칸막이로 구분되어 마련되는 배터리 케이스, 전기차의 구동력을 발생시키는 구동모터, 가열된 상태의 냉각수를 냉각시키는 라디에이터, 냉각수를 이송시키는 펌프, 라디에이터와 배터리 케이스 사이에서 자켓부 또는 탱크부로 냉각수를 유출하는 제1 삼방밸브, 구동모터와 라디에이터 사이에서 라디에이터 또는 제1 삼방밸브로 냉각수를 유출하는 제2 삼방밸브, 배터리 온도센서에서 센싱되는 배터리의 온도를 기반으로 제1 삼방밸브와 제2 삼방밸브를 제어하는 제어부를 포함하는 배터리의 열관리 시스템이 제공될 수 있다.
여기서, 제어부는 배터리 온도가 미리 설정된 제1 설정온도 보다 높은 경우, 구동모터에서 유출된 냉각수를 라디에이터로 유출하도록 제2 삼방밸브를 제어할 수 있다.
또한, 제어부는 제1 삼방밸브를 제어하여 배터리 온도가 미리 설정된 제1 설정온도 보다 높고 미리 설정된 제2 설정온도와 같거나 보다 낮은 경우 라디에이터에서 냉각된 냉각수를 탱크부로 유출하며, 배터리 온도가 제2 설정온도 보다 높은 경우 자켓부로 유출하여 배터리를 냉각할 수 있다.
그리고, 제어부는 배터리 온도가 미리 설정된 제1 설정온도와 같거나 보다 낮은 경우, 구동모터에서 유출된 냉각수가 라디에이터를 순환하지 않고 제1 삼방밸브로 유출하도록 제2 삼방밸브를 제어할 수 있다.
배터리 열관리 시스템은 구동모터의 출구 부분에 설치되어 구동모터에서 유출되는 냉각수의 온도를 센싱하는 냉각수 온도센서, 배터리 케이스에 설치되어 제어부에 따라 열을 제공하는 열선을 더 포함할 수 있다.
그리고 제어부는 제1 삼방밸브를 제어하여, 냉각수 온도센서에서 측정된 냉각수의 온도가 제1 설정온도와 같거나 보다 낮은 경우 냉각수를 탱크부로 유출하며 열선을 온 상태로 제어하고, 냉각수 온도센서에서 측정된 냉각수의 온도가 제1 설정온도 보다 높은 경우 냉각수를 자켓부로 유출할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 배터리가 탈착되어 설치가 쉽고 냉각수를 저장하는 탱크부와 냉각수가 순환하는 자켓부가 각각 분리된 상태로 내장되어 배터리의 온도관리가 용이한 효과가 있다.
또한, 내부에 열선이 설치됨에 따라 배터리에 열을 공급하기 위한 별도의 히터가 필요하지 않아서 배터리의 열관리 시스템의 구성이 간소화되는 효과가 있다.
또한, 종래의 별도의 히터, 칠러, 리저버 탱크를 삭제함에 따라 제조원가를 감소시키며 유지 비용을 절약할 수 있는 효과가 있다.
특히, 구성이 간소화되며 소형화되어 소형 전동 차량에도 적용할 수 있고, 각각의 구성을 구동시키는 전력을 절감할 수 있어서 전체적인 전력 소비율을 감소시키며 에너지 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 배터리 케이스의 부분 절단 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 배터리 케이스에 배터리가 설치된 상태의 개략적인 배면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 배터리 케이스의 부분 절단 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 배터리의 열관리 시스템의 제어부의 개략 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 배터리의 열관리 시스템의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 배터리의 열관리 시스템의 순환모드 개략도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 의한 배터리의 열관리 시스템의 냉각모드 개략도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 의한 배터리의 열관리 시스템의 승온모드 개략도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 의한 배터리의 열관리 시스템의 저장모드 개략도이다.
도 10는 본 발명의 실시예에 의한 배터리의 열관리 시스템의 제어방법의 순서도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세히 설명한다. 각 도면의 구성 요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 배터리 케이스의 일부분을 절단하여 보인 사시도이며, 도 2는 본 발명의 실시예에 의한 배터리 케이스에 배터리가 설치된 상태의 개략적인 배면도이고, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 배터리 케이스의 부분 절단 사시도이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 배터리 케이스(100)는 일측으로 개구되는 함체 형상으로 내측에 배터리(101)가 탈착되는 배터리 삽입공간(110)을 구비하며, 내부에 구비되되 내측벽(120)과 외측벽(130) 사이에 마련되어 배터리 삽입공간(110)을 둘러싸도록 구비되고 내부에 칸막이(150)가 설치되어 냉각수를 저장하는 탱크부(141)와 냉각수를 순환시키는 자켓부(142)로 구분되는 냉각수 수용공간(140)이 마련된다.
본 발명은 차량에 구동에너지를 제공하는 구동모터(10)에 전원을 공급하는 배터리(101)의 배터리 케이스(100)에 관한 것으로, 배터리 케이스(100)는 배터리(101)가 탈착되는 구조로 마련되어 배터리(101)를 보호하는 동시에 구동모터(10)의 냉각 시스템과 패열을 이용하여 배터리(101)를 냉각시키거나 승온시킬 수 있는 구조로 마련된다.
이러한 배터리 케이스(100)는 일측으로 개구되는 함체 형상으로 형성되어 내측에 배터리(101)가 탈착되는 배터리 삽입공간(110)이 마련된다. 배터리(101)는 배터리 삽입공간(110)에 삽입되어 배터리 케이스(100)에 의해 보호된다.
일반적으로 배터리(101)는 전기차 구동을 위한 전력을 공급하며 직육면체의 블록 형상으로 마련되고, 배터리 삽입공간(110)은 배터리 케이스(100)의 냉각 및 승온 효율을 높이도록 배터리(101)와 대응되게 마련되는 것이 바람직하다. 다만, 배터리 삽입공간(110)은 후술할 열선(103)이 설치되는 공간도 포함한다.
일예로, 도면에는 직육면체의 블록 형상의 배터리(101)가 삽입되도록 배터리 삽입공간(110)이 직육면체의 공간으로 마련되는 것으로 도시하였으나, 이에 한정하는 것은 아니다.
이러한 배터리 케이스(100)는 배터리(101)의 냉각 및 승온을 위해 냉각수 수용공간(140)이 마련된다.
냉각수 수용공간(140)은 배터리 케이스(100)의 내부에 구비되어 배터리 삽입공간(110)을 둘러싸도록 마련되며, 배터리 삽입공간(110)의 하측에도 마련될 수 있으나 이에 한정하는 것은 아니다.
즉, 배터리 케이스(100)는 속이 빈 형태로 마련되어 배터리 삽입공간(110)을 형성하는 내측벽(120)과 외관을 형성하는 외측벽(130)을 구비하며, 내측벽(120)과 외측벽(130) 사이에 냉각수 수용공간(140)이 형성된다.
이러한 냉각수 수용공간(140)은 내부에 칸막이(150)가 설치되어 냉각수를 저장하는 탱크부(141)와 냉각수를 순환시키는 자켓부(142)로 구분된다.
칸막이(150)는 배터리 케이스(100)의 소정 높이에 탱크부(141)와 자켓부(142)의 각각의 공간을 분리하도록 형성된다.
그리고 칸막이(150)의 상부는 탱크부(141)가 위치하고 칸막이(150)의 하부는 자켓부(142)가 위치하는 것이 바람직하며, 이에 따라 배터리 삽입공간(110)의 저면에 안착되는 배터리(101)의 열관리가 용이해진다.
또한, 칸막이(150)가 설치되는 소정 높이는 자켓부(142)의 공간을 확보하며, 배터리(101)가 탱크부(141)와 열교환하는 것을 최소화할 수 있도록 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 칸막이(150)는 상측단과 인접하되 소정간격 이격되어 설치되는 것이 바람직하다.
또는, 배터리 케이스(100)는 삽입된 배터리(101)의 상측단과 칸막이(150)의 설치되는 높이가 일치하도록 형성되어 자켓부(142)를 형성하는 내측벽(120)에 배터리(101)가 인접하게 위치되고 탱크부(141)를 형성하는 내측벽(120)의 내측에는 빈공간으로 마련될 수도 있다.
탱크부(141)는 냉각수 수용공간(140)의 일부로 배터리 삽입공간(110)을 둘러싸는 중공의 사각기둥 형태로 마련되어 냉각수를 저장한다.
이러한 탱크부(141)는 일측에 냉각수가 유입되는 탱크 입구(141a)가 형성되며 타측에 냉각수를 유출하는 탱크 출구(141b)가 형성된다.
이처럼 탱크부(141)는 별도의 탱크 입구(141a)와 탱크 출구(141b)를 구비함에 따라 자켓부(142)를 통과한 냉각수가 유입되어 저장되거나 자켓부(142)를 통과하지 않고 바로 냉각수가 유입되어 저장될 수 있다.
자켓부(142)는 냉각수 수용공간(140)의 일부로 배터리 삽입공간(110)을 둘러싸는 중공의 사각기둥 형태로 마련되되 내부에 제1 격벽(161) 및 제2 격벽(162)이 형성되어 냉각수의 냉각유로를 형성한다.
제1 격벽(161)은 외측벽(130)의 일측면에서 돌출되어 형성되되 대향하는 외측벽(130)의 타측면과 이격되도록 형성되고, 제2 격벽(162)은 외측벽(130)의 타측면에서 돌출되어 형성되되 대향하는 외측벽(130)의 일측면과 이격되도록 형성된다.
이러한 제1 격벽(161)과 제2 격벽(162)은 자켓부(142)에 복수개가 교대로 형성되어 구비되며 냉각수가 상측에서 하측으로 또는 하측에서 상측으로 제1 격벽(161)과 제2 격벽(162)을 따라 이동하도록 유도하면서 배터리(101)와 열교환하도록 한다.
그리고, 자켓부(142)는 상측 또는 하측에 냉각수가 유입되는 자켓 입구(142a)가 형성되며 그 반대측인 하측 또는 상측에 냉각수를 유출하는 자켓 출구(142b)가 형성된다.
그리고 자켓 출구(142b)는 탱크부(141)의 탱크 입구(141a)와 연결되어 자켓부(142)를 순환한 냉각수를 저장부로 유출할 수도 있다.
또한, 도 2에 도시된 것처럼 배터리 케이스(100)에는 열선(103)이 설치되며, 배터리(101)와 탈부착되도록 마련된다.
배터리 케이스(100)는 배터리(101)를 예열하는 승온모드시 배터리(101)에 열을 안정적으로 제공할 수 있도록 내측벽(120)의 배터리(101)와 마주보는 면에 열선(103)이 설치되어 열을 제공하며 배터리(101)를 예열한다.
즉, 배터리 케이스(100)는 구동모터(10)에 의해 가열된 상태의 냉각수의 온도가 낮아서 배터리(101)에 열을 제공할 수 없는 경우 가열된 상태의 냉각수는 탱크부(141)에 저장하며 배터리 삽입공간(110)에 설치된 열선(103)을 온 상태로 작동하여 배터리(101)를 예열한다.
열선(103)은 배터리(101)의 일측면과 대응되는 크기로 형성되어 배터리 케이스(100)의 내측벽(120)에 장착되어 고정될 수 있으며, 내측벽(120)의 일측면에만 설치될 수도 있고, 복수 개로 구비되어 복수면에 설치될 수도 있다.
또한, 배터리(101)의 배터리 삽입공간(110)의 저면과 마주보는 바닥면에는 소켓 또는 플러그 중 어느 하나가 설치될 수 있으며, 그와 대응되는 배터리 삽입공간(110)의 저면에는 소켓 또는 플러그 중 나머지 하나가 설치되어 배터리(101)가 배터리 삽입공간(110)에 탈착되며 전기적으로 연결될 수 있다.
일예로 도면에는 배터리(101)의 바닥면에 커넥터(102)가 구비되고 배터리 삽입공간(110)의 저면에 소켓(170)이 구비된 것으로 도시하였으나 이에 한정하는 것은 아니다.
이에 따라 배터리(101)는 배터리 삽입공간(110)에 삽입되면서 커넥터(102)가 소켓(170)에 삽입되며 접속되고, 배터리 삽입공간(110)에 안착되어 부착된다. 반대로 배터리(101)는 커넥터(102)가 소켓(170)에서 분리되며 접속 해제되어 배터리 케이스(100)와 분리될 수 있다.
이처럼 배터리(101)는 배터리 케이스(100)와 쉽게 탈착될 수 있어서 설치 및 교체가 용이하며, 특히, 종래에 배터리의 내부에 냉각유로를 형성함에 따라 배터리의 제작비용이 증대되고 배터리의 크기가 커졌던 것에 비해 배터리(101)와 탈착될 수 있는 냉각구조가 마련되어 제작비용을 절감할 수 있으며 배터리(101)의 소형화가 가능하게 된다.
그리고, 배터리(101)가 배터리 삽입공간(110)에 삽입된 후 배터리(101)의 위치를 고정해주기 위한 별도의 고정구조나 지지구조가 추가될 수도 있다.
또한, 도 3에는 탱크부(141)와 자켓부(142)를 분리하여 각각의 공간을 형성하는 칸막이(150)의 다른 실시예가 도시되어 있다.
도 3의 (a)에 도시된 것처럼 칸막이(150)는 제1 격벽(161)과 제2 격벽(162)의 두께보다 두껍게 형성되어 탱크부(141)와 자켓부(142) 사이의 열교환을 차단하도록 마련될 수 있다.
즉, 탱크부(141)에는 상대적으로 온도가 낮은 냉각수가 저장되어 있어서 탱크부(141)에서 유출하는 냉각수는 펌프(30)를 통해 구동모터(10)에 냉각을 위해 제공되는데, 자켓 입구(141a)가 탱크부(141)와 인접하게 위치하여 배터리(101)의 승온을 위해 자켓부(142)로 가열된 냉각수가 유입되는 경우, 또는, 자켓 출구(141b)가 탱크부(141)와 인접하게 위치하여 자켓부(142)에서 배터리(101)를 냉각하면서 열이 흡수된 상태의 냉각수가 유출되는 경우, 탱크부(141)와 자켓부(142) 사이에 온도차가 발생하게 된다. 따라서, 자켓부(142)의 가열된 냉각수 또는 열이 흡수된 냉각수가 탱크부(141)에 저장된 냉각수와 열교환되지 못하도록 칸막이(150)의 두께는 상대적으로 두껍게 형성되는 것이 바람직하다.
그리고 자켓부(142)에 유입된 가열된 냉각수는 제1 격벽(161)과 제2 격벽(162)의 두께가 칸막이(150)의 두께보다 얇게 형성되어 있어서 자켓부(142)의 내부에서의 열교환이 더 활발하게 이루어지며, 탱크부(141)와의 열교환이 최소화된다.
또한, 도 3의 (b)에 도시된 것처럼 칸막이(150)에서 상하 방향으로 소정간격 이격된 위치에 보조칸막이(151)가 더 구비될 수 있으며, 보조칸막이(151)와의 사이에 차단공간(152)을 구비한다.
이 경우 탱크부(141)와 자켓부(142)는 칸막이(150), 보조칸막이(151), 차단공간(152)을 통해 분리되어 구성됨에 따라 열교환이 최소화된다.
또한, 도 4는 본 발명의 실시예에 의한 배터리의 열관리 시스템의 제어부의 개략 구성도이며, 도 5는 본 발명의 실시예에 의한 배터리의 열관리 시스템의 개략도이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 의한 배터리의 열관리 시스템의 순환모드 개략도이며, 도 7은 본 발명의 실시예에 의한 배터리의 열관리 시스템의 냉각모드 개략도이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 의한 배터리의 열관리 시스템의 승온모드 개략도이며, 도 9는 본 발명의 실시예에 의한 배터리의 열관리 시스템의 저장모드 개략도이고, 도 10는 본 발명의 실시예에 의한 배터리의 열관리 시스템의 제어방법의 순서도이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 배터리 케이스(100)를 포함하는 배터리(101)의 열관리 시스템은 전기차 구동을 위한 전력을 공급하는 배터리(101)가 탈착되고, 내부에 냉각수를 저장하는 탱크부(141)와 냉각수를 순환시키는 자켓부(142)가 칸막이(150)로 구분되어 마련되는 배터리 케이스(100), 전기차의 구동력을 발생시키는 구동모터(10), 가열된 상태의 냉각수를 냉각시키는 라디에이터(20), 냉각수를 이송시키는 펌프(30), 라디에이터(20)와 배터리 케이스(100) 사이에서 자켓부(142) 또는 탱크부(141)로 냉각수를 유출하는 제1 삼방밸브(40), 구동모터(10)와 라디에이터(20) 사이에서 라디에이터(20) 또는 제1 삼방밸브(40)로 냉각수를 유출하는 제2 삼방밸브(50), 배터리 온도센서(60)에서 센싱되는 배터리(101)의 온도를 기반으로 제1 삼방밸브(40)와 제2 삼방밸브(50)를 제어하는 제어부(200)를 포함한다.
본 발명의 열관리 시스템은 배터리 케이스(100), 구동모터(10), 라디에이터(20), 펌프(30)로 구성되며, 배터리(101)와 냉각수의 온도에 따라 냉각수의 흐름을 제어하는 제어부(200)가 마련되고, 제어부(200)에 의해 냉각수의 흐름을 설정하는 제1 삼방밸브(40)와 제2 삼방밸브(50)를 포함한다.
냉각수는 펌프(30)에 의해 구동모터(10), 라디에이터(20), 배터리 케이스(100)에 이송된다.
배터리 케이스(100)는 배터리(101)를 보관하며 보호하고, 배터리(101)와 열교환하도록 냉각수가 순환하는 공간인 자켓부(142)와 냉각수가 저장되는 공간인 탱크부(141)를 제공한다.
그리고, 배터리 케이스(100)의 배터리(101)가 삽입되는 배터리 삽입공간(110)에는 배터리(101)에 선택적으로 열을 제공하는 열선(103)이 설치된다.
구동모터(10)는 전기차의 구동력을 발생시키며 냉각수에 의해 냉각되고, 가열된 상태의 냉각수를 유출한다.
라디에이터(20)는 배터리(101) 온도에 따라 구동모터(10)에서 유출된 냉각수가 선택적으로 유입되며 냉각수가 거치면서 냉각된다. 그리고, 냉각수가 라디에이터(20)를 거치게 되면 적어도 후술하는 미리 설정된 제2 설정온도 보다는 낮은 온도로 냉각된다.
제1 삼방밸브(40)는 라디에이터(20)와 배터리 케이스(100) 사이에 위치되어 제어부(200)에 의해 냉각수를 자켓부(142) 또는 탱크부(141)로 유출하도록 작동한다.
제2 삼방밸브(50)는 구동모터(10)와 라디에이터(20) 사이에 위치되어 제어부(200)에 의해 냉각수를 라디에이터(20) 또는 제1 삼방밸브(40)로 유출하도록 작동한다.
또한, 자켓부(142)와 탱크부(141)를 연결하는 유로에는 제1 삼방밸브(40)에서 유출된 냉각수가 유입되는 제1 분기점(80)이 마련되어 냉각수가 제1 삼방밸브(40)에서 탱크부(141)로 유출될 수 있도록 한다.
그리고, 라디에이터(20)와 제1 삼방밸브(40)를 연결하는 유로에는 제2 삼방밸브(50)에서 유출된 냉각수가 유입되는 제2 분기점이 마련되어 냉각수가 제1 삼방밸브(40)에서 제2 삼방밸브(50)로 유출될 수 있도록 한다.
제어부(200)는 도 4에 도시된 것처럼 구동모터(10)를 제어하는 구성으로, 본 발명에서는 배터리 온도센서(60)와 냉각수 온도센서(70)에서 입력되는 정보에 따라 제1 삼방밸브(40), 제2 삼방밸브(50), 열선(103)을 제어한다.
이러한 제어부(200)는 배터리(101)가 미리 설정된 제1 설정온도 보다 높고 미리 설정된 제2 설정온도와 같거나 보다 낮은 상태가 되도록 삼방밸브(40, 50)와 열선(103)을 제어한다.
제1 설정온도는 제2 설정온도 보다 낮으며, 일예로, 제1 설정온도는 0℃일 수 있으며, 제2 설정온도는 60℃일 수 있으나 이에 한정하는 것은 아니고, 배터리(101)는 제1 설정온도 보다 낮아질수록, 제2 설정온도 보다 높아질수록 점차 성능이 저하되므로 제1 설정온도 보다 높고 미리 설정된 제2 설정온도와 같거나 보다 낮은 온도로 제어되는 것이 바람직하다.
그리고 제어부(200)는 배터리(101)의 온도와 구동모터(10)에서 유출되는 냉각수의 온도를 측정하기 위해 온도센서(60, 70)가 각각 설치된다.
배터리 온도센서(60)는 배터리(101)의 온도를 센싱하여 배터리(101)의 온도 정보를 제어부(200)에 입력하며 배터리(101) 또는 배터리 케이스(100)에 설치될 수 있다.
냉각수 온도센서(70)는 구동모터(10)의 출구 부분에 설치되어 구동모터(10)에서 유출되는 냉각수의 온도를 센싱하고 가열된 상태의 냉각수의 온도 정보를 제어부(200)에 입력한다.
또한, 제어부(200)는 제1 삼방밸브(40)가 유입된 냉각수를 자켓부(142) 또는 제1 분기점(80)으로 유출하도록 작동시키며 제2 삼방밸브(50)가 유입된 냉각수를 라디에이터(20) 또는 제2 분기점으로 유출하도록 작동시키고, 열선(103)을 온 또는 오프 상태가 되도록 제어한다.
아래에서는 열관리 시스템에서 각 모드에 따른 냉각수의 흐름을 도시한 도 6 내지 도 9를 참고하여 배터리(101)를 냉각 또는 승온하는 작동에 대해 설명한다.
먼저, 제어부(200)는 도 6에 도시된 것처럼 배터리 온도가 제1 설정온도 보다 높고 제2 설정온도와 같거나 보다 낮은 경우 냉각수를 순환시키는 순환모드를 작동한다.
순환모드에서는 구동모터(10)에서 유출된 냉각수가 라디에이터(20)를 거쳐 냉각된 후 탱크부(141)에 유입되어 저장되어 배터리(101)를 냉각하거나 예열하지 않도록 작동한다.
여기서, 제2 삼방밸브(50)는 제어부(200)에 의해 구동모터(10)에서 유출된 냉각수를 라디에이터(20)로 유출하도록 작동하고, 제1 삼방밸브(40)는 제어부(200)에 의해 라디에이터(20)에서 유출되어 제2 분기점에서 유출된 냉각수를 탱크부(141)와 연결하는 제1 분기점(80)으로 유출하도록 작동한다.
이러한 순환모드시 배터리(101)는 온도가 제1 설정온도와 제2 설정온도 사이라서 냉각 또는 승온이 필요하지 않으며 라디에이터(20)에서 냉각된 냉각수를 탱크부(141)로 유출한다.
또한, 제어부(200)는 도 7에 도시된 것처럼 배터리 온도가 제2 설정온도 보다 높은 경우 배터리(101)를 냉각하는 냉각모드를 작동한다.
냉각모드에서는 구동모터(10)에서 유출된 냉각수가 라디에이터(20)를 거쳐 냉각된 후 자켓부(142)에 유입되어 제1 격벽(161)과 제2 격벽(162) 사이를 순환하면서 배터리(101)를 냉각하도록 작동한다.
여기서, 제2 삼방밸브(50)는 제어부(200)에 의해 구동모터(10)에서 유출된 냉각수를 라디에이터(20)로 유출하도록 작동하고, 제1 삼방밸브(40)는 제어부(200)에 의해 라디에이터(20)에서 유출되어 제2 분기점에서 유출된 냉각수를 자켓부(142)로 유출하도록 작동한다. 그리고 자켓부(142)를 순환한 냉각수는 탱크부(141)로 유출되어 저장된다.
또한, 제어부(200)는 도 8에 도시된 것처럼 배터리 온도가 제1 설정온도와 같거나 보다 낮으며 냉각수 온도센서(70)에서 측정된 냉각수의 온도가 제1 설정온도 보다 높은 경우 배터리(101)를 예열하는 승온모드를 작동한다.
승온모드에서는 구동모터(10)에서 유출된 냉각수가 라디에이터(20)를 순환하지 않고 가열된 상태의 냉각수 그대로 자켓부(142)로 유입되며 제1 격벽(161)과 제2 격벽(162) 사이를 순환하면서 배터리(101)를 예열하도록 작동한다.
여기서, 제2 삼방밸브(50)는 제어부(200)에 의해 구동모터(10)에서 유출된 냉각수를 제1 삼방밸브(40)와 연결하는 제2 분기점으로 유출하도록 작동하고, 제1 삼방밸브(40)는 제어부(200)에 의해 제2 분기점에서 유출된 냉각수를 자켓부(142)로 유출하도록 작동한다.
그리고 자켓부(142)를 순환한 냉각수는 배터리(101)에 의해 냉각되어 탱크부(141)로 유출되며 저장된다.
이때, 배터리(101)가 단시간에 예열될 수 있도록 제어부(200)는 열선(103)을 온 상태로 제어할 수도 있다.
이에 따라 배터리(101)는 열선(103)과 냉각수로부터 열을 전달받아 승온 시간을 단축할 수 있게 된다.
그리고, 제어부(200)는 도 9에 도시된 것처럼 배터리 온도가 제1 설정온도와 같거나 보다 낮으며 냉각수 온도센서(70)에서 측정된 냉각수의 온도가 제1 설정온도와 같거나 보다 낮은 경우 냉각수를 저장하며, 열선(103)을 온 상태로 제어하는 저장모드를 작동한다.
저장모드에서는 구동모터(10)에서 유출된 냉각수가 라디에이터(20)를 순환하지 않고 배터리(101)와의 불필요한 열교환을 방지하기 위해 탱크부(141)로 유입되어 저장된다.
여기서, 제2 삼방밸브(50)는 제어부(200)에 의해 구동모터(10)에서 유출된 냉각수를 제1 삼방밸브(40)와 연결하는 제2 분기점으로 유출하도록 작동하고, 제1 삼방밸브(40)는 제어부(200)에 의해 냉각수를 탱크부(141)와 연결하는 제1 분기점(80)으로 유출한다.
그리고 배터리(101)는 제어부(200)에 의해 온 상태로 작동하는 열선(103)으로부터 열을 제공받아 예열된다.
이처럼, 구동모터(10)에서 유출된 냉각수의 온도가 제1 설정온도와 같거나 보다 낮은 경우에는 냉각수를 탱크부(141)로 이송하여 배터리(101)와의 열교환을 방지하는 것이 바람직하다.
아래에서는 도 10을 참고하여 배터리(101)의 열관리 방법에 대해 설명한다.
먼저, 배터리 온도센서(60)에서 측정된 배터리(101)의 온도가 제1 설정온도 보다 높은지 확인하는 단계(S10)를 진행한다.
S10 단계에서 배터리 온도센서(60)에서 측정된 배터리(101)의 온도가 제1 설정온도 보다 높다면, 배터리(101)의 온도가 제2 설정온도 보다 높은지 확인하는 단계(S20)를 진행한다.
S20 단계에서 배터리(101)의 온도가 제2 설정온도와 같거나 낮은 것으로 확인되면, 즉, 제1 설정온도 < 배터리 온도 ≤ 제2 설정온도, 냉각수를 순환시키는 순환모드를 작동한다.
냉각수 순환모드는 구동모터(10)로부터 유출된 냉각수가 라디에이터(20)를 거쳐 탱크부(141)로 이송되어 냉각수와 배터리(101) 사이의 열교환을 방지한다.
그리고, S20 단계에서 배터리(101)의 온도가 제2 설정온도 보다 높은 것으로 확인되면, 즉, 제2 설정온도 < 배터리 온도, 배터리(101)를 냉각하는 냉각모드(S30)를 작동한다.
배터리 냉각모드(S30)는 구동모터(10)로부터 유출된 냉각수가 라디에이터(20)를 거쳐 자켓부(142)를 순환하여 배터리(101)를 냉각한 후 탱크부(141)로 이송된다.
S10 단계에서 배터리 온도센서(60)에서 측정된 배터리(101)의 온도가 제1 설정온도와 같거나 보다 낮다면, 냉각수 온도센서(70)에서 측정된 냉각수의 온도가 제1 설정온도 보다 높은지 확인하는 단계(S21)를 진행한다.
S21 단계에서 냉각수의 온도가 제1 설정온도 보다 높은 것으로 확인되면, 즉, 배터리 온도 ≤ 제1 설정온도 < 냉각수 온도, 배터리(101)를 예열하는 승온모드(S31)를 작동한다.
배터리 승온모드(S31)는 구동모터(10)로부터 유출된 냉각수가 라디에이터(20)를 거치지 않고 가열된 상태로 자켓부(142)를 순환하여 배터리(101)를 예열한 후 탱크부(141)로 이송된다.
그리고, S21 단계에서 냉각수의 온도가 제1 설정온도와 같거나 보다 낮은 것으로 확인되면, 즉, 배터리 온도와 냉각수 온도 ≤ 제1 설정온도, 냉각수를 저장하는 저장모드(S32)를 작동한다.
냉각수 저장모드(S32)는 구동모터(10)로부터 유출된 냉각수가 라디에이터(20)를 거치지 않고 가열된 상태로 탱크부(141)로 이송되어 냉각수와 배터리(101) 사이의 열교환을 방지한다.
다만, 냉각수 저장모드(S32)에서는 구동모터(10)로부터 유출된 냉각수가 라디에이터(20)를 거친 후 탱크부(141)로 이송될 수도 있다.
또한, 냉각수 저장모드(S32)에서는 열선(103)을 이용하여 배터리(101)를 예열한다.
이러한 형상과 구조를 갖는 본 발명의 실시예들에 의하면 배터리가 탈착되어 설치가 쉽고 냉각수를 저장하는 탱크부와 냉각수가 순환하는 자켓부가 각각 분리된 상태로 내장되어 배터리의 온도관리가 용이한 효과가 있다.
보다 구체적으로 설명하면 배터리의 냉각모드와 승온모드를 제외한 순환모드와 저장모드에서는 냉각수를 탱크부로 순환시키며 저장함에 따라, 배터리의 열관리가 보다 효율적으로 이루어지게 된다.
즉, 배터리가 제1 설정온도 보다 높도록 승온이 필요한데 자켓부에 제1 설정온도 보다 낮은 냉각수가 유입된다면 배터리의 승온에 방해가 될 수 있으며, 배터리가 제2 설정온도와 같거나 보다 낮아서 냉각이 필요하지 않은데 자켓부에 냉각수가 유입된다면 오히려 배터리가 냉각되면서 성능이 저하될 수 있기 때문에, 상기의 경우들에서는 냉각수를 탱크부로 이송하며 배터리와의 열교환을 방지한다.
또한, 내부에 열선이 설치됨에 따라 배터리에 열을 공급하기 위한 별도의 히터가 필요하지 않아서 배터리의 열관리 시스템의 구성이 간소화되는 효과가 있다.
또한, 종래의 별도의 히터, 칠러, 리저버 탱크를 삭제함에 따라 제조원가를 감소시키며 유지 비용을 절약할 수 있는 효과가 있다.
특히, 구성이 간소화되며 소형화되어 소형 전동 차량에도 적용할 수 있고, 각각의 구성을 구동시키는 전력을 절감할 수 있어서 전체적인 전력 소비율을 감소시키며 에너지 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 구동모터 20: 라디에이터
30: 펌프 40, 50: 제1,2 삼방밸브
60: 배터리 온도센서 70: 냉각수 온도센서
80, 90: 제1,2 분기점 100: 배터리 케이스
101: 배터리 103: 열선
110: 배터리 삽입공간 120: 내측벽
130: 외측벽 140: 냉각수 수용공간
141: 탱크부 142: 자켓부
150: 칸막이 151: 보조칸막이
152: 차단공간 161: 제1 격벽
162: 제2 격벽 200: 제어부

Claims (10)

  1. 일측으로 개구되는 함체 형상으로 내측에 배터리가 탈착되는 배터리 삽입공간을 구비하며,
    내부에 구비되되 내측벽과 외측벽 사이에 마련되어 상기 배터리 삽입공간을 둘러싸도록 구비되고, 내부에 칸막이가 설치되어 냉각수를 저장하는 탱크부와 냉각수를 순환시키는 자켓부로 구분되는 냉각수 수용공간이 마련된 것을 특징으로 하는 배터리 케이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 자켓부는 내부에 상기 외측벽의 일측면과 타측면에서 돌출되어 형성되되 대향하는 상기 외측벽과 이격되도록 형성된 다수의 제1 격벽과 제2 격벽이 형성되고, 상기 제1 격벽과 제2 격벽이 교대로 형성되어 냉각수의 냉각유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 배터리 케이스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 탱크부는 냉각수가 유입되는 탱크 입구와 냉각수를 유출하는 탱크 출구를 구비하고, 상기 자켓부는 냉각수가 유입되는 자켓 입구와 냉각수를 유출하는 자켓 출구를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 케이스.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 내측벽의 상기 배터리와 마주보는 면에는 상기 배터리를 예열하는 승온모드시 열을 제공하는 열선이 설치되는 것을 특징으로 하는 배터리 케이스.
  5. 전기차 구동을 위한 전력을 공급하는 배터리가 탈착되고, 내부에 냉각수를 저장하는 탱크부와 냉각수를 순환시키는 자켓부가 칸막이로 구분되어 마련되는 배터리 케이스;
    전기차의 구동력을 발생시키는 구동모터;
    가열된 상태의 냉각수를 냉각시키는 라디에이터;
    냉각수를 이송시키는 펌프;
    상기 라디에이터와 배터리 케이스 사이에서 상기 자켓부 또는 탱크부로 냉각수를 유출하는 제1 삼방밸브;
    상기 구동모터와 라디에이터 사이에서 상기 라디에이터 또는 상기 제1 삼방밸브로 냉각수를 유출하는 제2 삼방밸브; 및
    배터리 온도센서에서 센싱되는 배터리의 온도를 기반으로 상기 제1 삼방밸브와 제2 삼방밸브를 제어하는 제어부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리의 열관리 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 배터리 온도가 미리 설정된 제1 설정온도 보다 높은 경우, 상기 구동모터에서 유출된 냉각수를 상기 라디에이터로 유출하도록 상기 제2 삼방밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리의 열관리 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1 삼방밸브를 제어하여,
    상기 배터리 온도가 미리 설정된 제1 설정온도 보다 높고 미리 설정된 제2 설정온도와 같거나 보다 낮은 경우 상기 라디에이터에서 냉각된 냉각수를 상기 탱크부로 유출하며,
    상기 배터리 온도가 상기 제2 설정온도 보다 높은 경우 상기 자켓부로 유출하여 상기 배터리를 냉각하는 것을 특징으로 하는 배터리의 열관리 시스템.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 배터리 온도가 미리 설정된 제1 설정온도와 같거나 보다 낮은 경우, 상기 구동모터에서 유출된 냉각수가 상기 라디에이터를 순환하지 않고 상기 제1 삼방밸브로 유출하도록 상기 제2 삼방밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 열관리 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 구동모터의 출구 부분에 설치되어 상기 구동모터에서 유출되는 냉각수의 온도를 센싱하는 냉각수 온도센서; 및
    상기 배터리 케이스에 설치되어 상기 제어부에 따라 열을 제공하는 열선;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 열관리 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1 삼방밸브를 제어하여,
    상기 냉각수 온도센서에서 측정된 냉각수의 온도가 상기 제1 설정온도와 같거나 보다 낮은 경우 냉각수를 상기 탱크부로 유출하며 상기 열선을 온 상태로 제어하고,
    상기 냉각수 온도센서에서 측정된 냉각수의 온도가 상기 제1 설정온도 보다 높은 경우 냉각수를 상기 자켓부로 유출하는 것을 특징으로 하는 배터리 열관리 시스템.
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