KR20220118823A - 급속 충전 시스템에서 차량의 배터리 냉각 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 급속 충전 시스템에서 차량의 배터리 냉각 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 급속 충전 시, 충전 플러그를 통해 연결된 전기차 배터리에 전원을 공급하는 고속 전원 공급기; 급속 충전 시, 전기차 배터리를 냉각시키기 위한 냉각 유체를 제공하는 냉각기; 상기 충전 플러그에 의한 차량 급속 충전 시, 상기 냉각된 냉각 유체를 상기 충전 플러그를 통해 전기차 배터리의 냉각 모듈에 공급하여 배터리를 냉각시킨 후 충전 종료 시 전기차 배터리를 냉각시킨 상기 냉각 유체를 상기 냉각기에 회수하는 냉각 유체 제어기; 및 상기 고속 전원 공급기와 접속되어 전원을 공급하는 복수의 전원 단자를 구비한 전원연결부와, 상기 냉각기로부터 공급되는 냉각 유체를 전기차 배터리 냉각 모듈에 전달하는 복수의 냉각 유체관을 구비한 냉각연결부로 이루어진 충전 플러그를 포함한다.

Description

급속 충전 시스템에서 차량의 배터리 냉각 시스템{Vehicle battery cooling system in fast charging system}
본 발명은 급속 충전 시스템에서 차량의 배터리를 냉각시키는 시스템에 관한 것이다.
종래의 전기자동차의 급속 충전 시, 충전시간을 줄이기 위해 가장 문제가 된 부분은 급속충전 시간을 줄이기 위해서는 보다 많은 전류가 필요한데, 이로 인해 발생하는 열이 가장 큰 문제였다.
발열량은 전류의 제곱에 비례하여 발생하므로 급속충전 시간을 줄이기 위해서는 제곱에 비례하는 발열량이 발생되어 일정시간이상 급속 충전시에는 제한이 올 수밖에 없다.
급속충전에 대한 문제를 해결하기 위해서 공기를 불어넣어 냉각하는 방식과, 이보다 휠씬 많은 발열량이 발생할 경우에는 수냉각을 활용하여 진행하는 방식 그리고 냉매를 직접적으로 배터리셀과 열교환시키는 방식등 다양한 급속충전 방식이 있다.
종래 급속 충전 시스템(특허등록 KR 10-2137758 B1)의 경우, 충전 중 냉각을 위해 단순히 차량 하단에 대형 송풍기를 활용하고 있다.
그러나, 종래 기술의 경우, 급속충전 진행 시 급속충전 시간을 줄이기 위해서는 보다 많은 발열량을 제거하는 장치를 차량 내부에 필요로 했었다.
이로 인해 운행시에 해당 장치를 100% 사용되지 않지만, 이를 차량에 탑재하여 차량의 중량 등이 무거워져 전비등의 효율성이 떨어지는 문제점을 가지고 있다.
또한, 급속충전시에 발생되는 배터리의 발열의 경우 전류의 제곱에 비례하여 급속하게 증가하기 때문에, 충전시의 발열량의 경우 급속충전 시간이 짧아 질수록 휠씬 더 많은 발열이 발생하며, 이를 해결하기 위해서는 차량에 냉각시스템의 기하급수적으로 늘어나는 문제점이 발생한다.
본 발명은 종래 문제점을 해결하기 위한 안출된 것으로, 전기차량의 급속충전 시, 충전 플러그의 냉각기의 냉각 유체를 전기차 배터리에 제공하여 급속충전 시 발생하는 배터리의 발열을 급속 냉각시킬 수 있는 급속 충전 시스템에서 차량의 배터리 냉각 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 급속 충전 시스템에서 차량의 배터리 냉각 시스템은 급속 충전 시, 충전 플러그를 통해 연결된 전기차 배터리에 전원을 공급하는 고속 전원 공급기; 급속 충전 시, 전기차 배터리를 냉각시키기 위한 냉각 유체를 제공하는 냉각기; 상기 충전 플러그에 의한 차량 급속 충전 시, 상기 냉각된 냉각 유체를 상기 충전 플러그를 통해 전기차 배터리의 냉각 모듈에 공급하여 배터리를 냉각시킨 후 충전 종료 시 전기차 배터리를 냉각시킨 상기 냉각 유체를 상기 냉각기에 회수하는 냉각 유체 제어기; 및 상기 고속 전원 공급기와 접속되어 전원을 공급하는 복수의 전원 단자를 구비한 전원연결부와, 상기 냉각기로부터 공급되는 냉각 유체를 전기차 배터리 냉각 모듈에 전달하는 복수의 냉각 유체관을 구비한 냉각연결부로 이루어진 충전 플러그를 포함한다.
상기 충전 플러그는, 전기차의 충전 플러그와 접속 시, 상기 고속 전원 공급기로부터 인가되는 전원이 전기차 배터리에 인가되도록, 전기차의 충전 플러그의 전원 단자와 접속되는 전원 공급 케이블; 및 전기차의 충전 플러그와 접속 시, 상기 냉각기에 의해 냉각된 냉각 유체를 상기 전기차의 충전 플러그를 통해 배터리에 전달하는 냉각 유체 공급관과, 상기 전기차 배터리를 냉각한 냉각 유체를 회수하는 냉각 유체 회수관을 포함한다.
상기 전기차의 충전 플러그는, 급속 충전 시스템의 충전 플러그의 냉각 유체 공급관과 냉각 유체 회수관이 전기차 배터리의 냉각 모듈에 연결되는 전기차측 냉각 유체 공급관과 냉각 유체 회수관을 포함한다.
상기 전기차의 충전 플러그에는, 상기 급속 충전 시스템의 충전 플러그의 접속 여부에 따라, 배터리의 냉각 모듈에 공급되는 냉각 유체의 경로를 변경하는 스위칭 모듈을 더 포함한다.
한편, 상기 스위칭 모듈은, 배터리의 온도에 따라 냉각 유체의 경로를 스위칭할 수 있다.
상기 충전 플러그는, 상기 전원연결부가 냉각연결부 보다 돌출된 구조를 갖도록 형성된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전기차 외부의 냉각기를 활용하여 급속충전 진행 시 외부의 냉각기에서 냉각된 냉각 유체가 배터리 냉각 모듈 내부로 이동하여 급속충전 시 발생하는 발열량을 해결할 수 있고, 이를 통해 전기차의 경량화 및 냉각기를 최소화할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 전기차의 배터리 급속 충전 시, 전기차 내부 냉각기를 통해 배터리를 냉각시키지 않고, 충전 시스템에서 공급되는 냉각 유체를 이용하여 자동으로 충전과 함께 전기차의 배터리를 냉각시킴으로써, 급속 충전 시 발생하는 전기차의 배터리 발열을 해결할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 급속 충전 시스템에서 차량의 배터리 냉각 시스템을 설명하기 위한 구성블록도.
도 2는 도 1의 충전 플러그를 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 급속 충전 시스템에서 차량의 배터리 냉각 시스템의 동작을 설명하기 위한 참고도.
도 4는 도 3의 전기차 배터리의 구조를 설명하기 위한 참고도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 급속 충전 시스템에서 차량의 배터리 냉각 시스템을 설명하기 위한 구성블록도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에서 급속 충전 시간에 따른 셀 발열양을 예측한 그래프이다. 필요 냉각성능 하한 및 상한, 발열량 하한 및 상향 및 필요충전기 용량을 예측한 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
도 1은 본 발명에 따른 급속 충전 시스템에서 차량의 배터리 냉각 시스템을 설명하기 위한 구성블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 급속 충전 시스템에서 차량의 배터리 냉각 시스템은 고속 전원 공급기(110), 냉각기(120), 냉각 유체 제어기(130) 및 충전 플러그(140)를 포함한다.
고속 전원 공급기(110)는 급속 충전 시, 연결되는 전기차 배터리(260)에 전원을 공급한다.
냉각기(120)는 급속 충전 시, 전기차 배터리(260)를 냉각시키기 위한 냉각 유체를 상기 충전 플러그(140)를 통해 배터리 냉각 모듈(250)에 제공한다. 이러한 냉각기(120)는 일반적인 에어컨 시스템이 이용될 수 있는 것으로, 공지의 칠러와 응축기, 압축기, 및 펌프를 포함하는 것이 바람직하다.
냉각 유체 제어기(130)는 급속 충전 시, 상기 냉각된 냉각 유체를 상기 충전 플러그(140)를 통해 배터리 냉각 모듈(250)에 공급하여 배터리(260)를 냉각시킨 후 충전 종료 시 전기차 배터리(260)를 냉각시킨 상기 냉각 유체를 상기 냉각기(120)에 회수한다. 이러한 냉각 유체 제어기(130)는 상기 충전 시스템의 충전 플러그(140)와 전기차의 충전 커넥터(240)가 체결됨을 확인하는 경우 동작하는 것이 바람직하다.
충전 플러그(140)는 도 2에 도시된 바와 같이, 고속 전원 공급기(110)와 접속되어 전원을 공급하는 복수의 전원 단자를 구비한 전원연결부(141)와, 상기 냉각기(120)로부터 공급되는 냉각 유체를 배터리 냉각 모듈(250)에 전달하는 복수의 냉각 유체관(미도시)을 구비한 냉각연결부(143)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 충전 플러그(140)의 전원연결부(141)에는 전기차의 충전 커넥터와 접속 시, 고속 전원 공급기(110)로부터 인가되는 전원이 전기차 배터리에 인가되도록, 전기차의 충전 커넥터의 전원 단자와 접속되는 전원 공급 케이블을 포함한다.
그리고, 충전 플러그(140)의 냉각연결부(143)에는 전기차의 충전 커넥터(240)와 접속 시, 상기 냉각기(120)에 의해 냉각된 냉각 유체를 상기 전기차의 충전 커넥터를 통해 배터리의 냉각 모듈에 전달하는 냉각 유체 공급관(1431)과, 상기 전기차 배터리를 냉각한 냉각 유체를 회수하는 냉각 유체 회수관(1433)을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전기차 외부의 냉각기를 활용하여 급속충전 진행 시 외부의 냉각기에서 냉각된 냉각 유체가 배터리 냉각 모듈 내부로 이동하여 급속충전 시 발생하는 발열량을 해결할 수 있고, 이를 통해 전기차의 경량화 및 냉각기를 최소화할 수 있는 효과가 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 급속 충전 시스템에서 차량의 배터리 냉각 시스템의 동작을 설명하기 위한 참고도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기차(200)는 충전 커넥터(240), 배터리 냉각 모듈(250) 및 배터리(260)를 포함한다.
전기차의 충전 커넥터(240)는 종래 차량의 충전 플러그와 같이, 급속 충전 시스템의 충전 플러그(140)의 전원연결부(141)에 대응되어 전원을 인가받기 위한 전원연결부(2411)를 구비하고, 급속 충전 시스템의 충전 플러그(140)에 구비된 냉각 유체 공급관(1431)과 냉각 유체 회수관(1433)과 연결되는 전기차측 냉각 유체 공급관(미도시)과 냉각 유체 회수관(미도시)을 포함한다.
배터리 냉각 모듈(250)은 도 4에 도시된 바와 같이, 배터리(260)와 접속되어 전기차측 냉각 유체 공급관과 냉각 유체 회수관에 연결되어, 충전 시스템(100)으로부터 충전 플러그(140)를 통해 유입되는 냉매 유체를 이용하여 배터리를 냉각시킨다. 이때, 배터리 냉각 모듈(250)은 전기차 냉각기(230)로부터 공급되는 냉매 유체를 유동시키기 위한 유체 이동관과 충전 시스템(100)으로부터 공급되는 냉매 유체를 이동시키기 위한 유체 이동관이 각각 독립적으로 구비되는 것이 바람직하다.
이때, 전기차측 냉각 유체 공급관과 냉각 유체 회수관은 도 4에 도시된 바와 같이, 배터리 냉각 모듈(250)의 냉각 유체 공급구(2431)과 냉각 유체 회수구(2433)와 연결된다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 급속 충전 시스템에서 차량의 배터리 냉각 시스템을 설명하기 위한 구성블록도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에서의 전기차의 충전 커넥터(240)에는 일 실시예의 구성에 더하여, 급속 충전 시스템의 충전 플러그(140)의 접속 여부에 따라, 배터리(260)의 냉각 모듈(250)에 공급되는 냉각 유체의 경로를 변경하는 스위칭 모듈(241)이 더 포함된다.
따라서, 스위칭 모듈(241)은 전기차의 주행 시, 차량 냉각기(230)에 의해 제공되는 냉매 유체가 스위칭 모듈(241)을 통해 배터리 냉각 모듈(250)에 공급되도록 스위칭하여 전기차의 배터리(260)를 냉각시키고, 급속 충전시에는 충전 시스템(100)으로부터 충전 플러그(140)를 통해 제공되는 냉각 유체가 배터리 냉각 모듈(250)에 공급되도록 스위칭하여 전기차의 배터리(260)를 냉각시킨다.
따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 전기차의 배터리(260) 급속 충전 시, 전기차 내부 냉각기를 통해 배터리를 냉각시키지 않고, 충전 시스템에서 공급되는 냉각 유체를 이용하여 자동으로 충전과 함께 전기차의 배터리를 냉각시킴으로써, 급속 충전 시 발생하는 전기차의 배터리 발열을 해결할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 스위칭 모듈은 전기차의 배터리의 온도에 따라 냉각 유체의 경로를 스위칭할 수도 있다.
이와 같이, 스위칭 모듈이 전기차의 배터리 온도에 따라 스위칭됨으로서, 전기차 배터리의 발열이 일어나지 않음에도 불구하고 불필요하게 충전 시스템으로부터 냉각 유체가 공급되지 않도록 할 수 있는 효과가 있다. 한편, 스위칭 모듈은 충전 시스템(100)에 구비되어 냉무 유체의 유입을 스위칭할 수도 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서는 일 실시예에서와 달리, 전원연결부(141)가 냉각연결부(143)보다 돌출 형성된다.
이때, 본 발명의 또 다른 실시예에서와 같이, 충전 시스템(100)의 충전 플러그(140)의 전원연결부가 냉각연결부 보다 돌출된 구조를 가질 경우, 전기차측 충전 커넥터(240)에서는 반대 구조를 가지는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 전원연결부가 냉각연결부보다 돌출된 구조로 형성될 경우, 냉각연결부를 구비하지 못한 일반적인 충전 시스템을 갖는 전기차와의 연결을 가능하게 하는 호환성을 가질 수 있는 효과가 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에서 급속 충전 시간에 따른 셀 발열양을 예측한 그래프이다.
이러한 본 발명의 실시예에 따르면, 전기차의 급속 충전 성능(12분, 15분, 20분, 40분, 및 60분)에 따라 필요 냉각성능 하한 및 상한, 발열량 하한 및 상향 및 필요충전기 용량을 예측한 바와 같이, 전기차 배터리의 발열량을 제어할 수 있다.
이상, 본 발명의 구성에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 보호 범위는 전술한 실시예에 국한되어서는 아니되며 이하의 특허청구범위의 기재에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 급속 충전 시, 충전 플러그를 통해 연결된 전기차 배터리에 전원을 공급하는 고속 전원 공급기;
    급속 충전 시, 전기차 배터리를 냉각시키기 위한 냉각 유체를 제공하는 냉각기;
    상기 충전 플러그에 의한 차량 급속 충전 시, 상기 냉각된 냉각 유체를 상기 충전 플러그를 통해 전기차 배터리의 냉각 모듈에 공급하여 배터리를 냉각시킨 후 충전 종료 시 전기차 배터리를 냉각시킨 상기 냉각 유체를 상기 냉각기에 회수하는 냉각 유체 제어기; 및
    상기 고속 전원 공급기와 접속되어 전원을 공급하는 복수의 전원 단자를 구비한 전원연결부와, 상기 냉각기로부터 공급되는 냉각 유체를 전기차 배터리 냉각 모듈에 전달하는 복수의 냉각 유체관을 구비한 냉각연결부로 이루어진 충전 플러그를 포함하는 급속 충전 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 충전 플러그는,
    전기차의 충전 플러그와 접속 시, 상기 고속 전원 공급기로부터 인가되는 전원이 전기차 배터리에 인가되도록, 전기차의 충전 플러그의 전원 단자와 접속되는 전원 공급 케이블; 및
    전기차의 충전 플러그와 접속 시, 상기 냉각기에 의해 냉각된 냉각 유체를 상기 전기차의 충전 플러그를 통해 배터리에 전달하는 냉각 유체 공급관과, 상기 전기차 배터리를 냉각한 냉각 유체를 회수하는 냉각 유체 회수관을 포함하는 급속 충전 시스템에서 차량의 배터리 냉각 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 전기차의 충전 플러그에는,
    급속 충전 시스템의 충전 플러그의 냉각 유체 공급관과 냉각 유체 회수관이 전기차 배터리의 냉각 모듈에 연결되는 전기차측 냉각 유체 공급관과 냉각 유체 회수관을 포함하는 급속 충전 시스템에서 차량의 배터리 냉각 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 전기차의 충전 플러그에는,
    상기 급속 충전 시스템의 충전 플러그의 접속 여부에 따라, 배터리의 냉각 모듈에 공급되는 냉각 유체의 경로를 변경하는 스위칭 모듈을 더 포함하는 급속 충전 시스템에서 차량의 배터리 냉각 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 스위칭 모듈은,
    배터리의 온도에 따라 냉각 유체의 경로를 스위칭하는 것인 급속 충전 시스템에서 차량의 배터리 냉각 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 충전 플러그는,
    상기 전원연결부가 냉각연결부 보다 돌출된 구조를 갖도록 형성된 것인 급속 충전 시스템에서 차량의 배터리 냉각 시스템.
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