KR20230085567A - 배터리 냉난방 제어시스템 - Google Patents

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박진락
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Abstract

본 발명은 배터리 냉난방에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, ICT (Information and Communication Technology)가 접목된 전동화 차량의 배터리 냉난방시스템에 관한 것이다. 본 발명의 실시형태에 따르면, 전동화 차량의 배터리의 냉난방 제어시스템은, 냉각수가 순환하도록 구성되고, 상기 냉각수와 열교환 관계에 배치되는 배터리 및 상기 냉각수를 가열가능한 PTC (Positive Temperature Coefficient) 히터를 포함하는 냉각수회로; 상기 냉각수회로의 냉각수의 온도를 감지하도록 구성되는 냉각수 온도센서; 상기 PTC 히터의 작동을 제어하도록 구성되는 제어기를 포함하고, 상기 제어기는: 상기 전동화 차량에서 연산되는 상기 전동화 차량의 미래 주행 속도 및 미래 주행 도로 정보를 수집하고, 상기 미래 주행 속도 및 미래 주행 도로 정보에 기초하여 상기 전동화 차량의 초기 구동 시 초기 난방 기간동안 미래 냉각수 온도 상승률을 산출하도록 구성된다.

Description

배터리 냉난방 제어시스템{SYSTEM OF CONTROLLING COOLING AND HEATING OF BATTERY}
본 발명은 배터리 냉난방에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, ICT (Information and Communication Technology)가 접목된 전동화 차량의 배터리 냉난방시스템에 관한 것이다.
전동화 차량은 내연기관 대신 모터에 의해 구동된다. 이러한 전동화 차량에는 모터에 전기 에너지를 공급하는 배터리가 필수적으로 요구된다. 배터리는 온도에 따라 사용할 수 있는 배터리 에너지 총 용량과 배터리의 효율이 변하기 때문에 온도 제어가 요구된다. 구체적으로는, 온도 제어에서는 배터리 에너지 용량과 배터리의 효율이 최대가 되는 부근으로 배터리의 온도를 유지시킨다.
전동화 차량에서 배터리의 온도 제어는 수냉식으로 이루어질 수 있다. 수냉식 온도 제어에서 배터리가 열교환기를 통해 냉각라인의 냉각수와 열교환을 하며, 냉각수의 온도를 배터리 용량이 최대가 되는 온도 근방으로 제어하여 배터리 온도가 조절되고 있다.
근래 전동화 차량에 ICT (Information and Communication Technology)가 접목되면서 ICT를 활용한 구동 에너지 최적화 제어를 통해 진동화 차량의 미래 속도 정보 및 미래 주행 도로 정보를 결정할 수 있게 되었다.
등록특허공보 제10-1952037호 (등록일자: 2019.02.19)
본 발명은 ICT 기반 전동화 차량에서 미래 속도 정보와 미래 주행 도로 정보를 활용하여 전동화 차량의 초기 구동 시 난방에너지를 최소화하는 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자(이하 '통상의 기술자')에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하고, 후술하는 본 발명의 특징적인 기능을 수행하기 위한, 본 발명의 특징은 다음과 같다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 전동화 차량의 배터리의 냉난방 제어시스템은, 냉각수가 순환하도록 구성되고, 상기 냉각수와 열교환 관계에 배치되는 배터리 및 상기 냉각수를 가열가능한 PTC (Positive Temperature Coefficient) 히터를 포함하는 냉각수회로; 상기 냉각수회로의 냉각수의 온도를 감지하도록 구성되는 냉각수 온도센서; 상기 PTC 히터의 작동을 제어하도록 구성되는 제어기를 포함하고, 상기 제어기는: 상기 전동화 차량에서 연산되는 상기 전동화 차량의 미래 주행 속도 및 미래 주행 도로 정보를 수집하고, 상기 미래 주행 속도 및 미래 주행 도로 정보에 기초하여 상기 전동화 차량의 초기 구동 시 초기 난방 기간동안 미래 냉각수 온도 상승률을 산출하도록 구성된다.
본 발명에 따르면, ICT 기반 전동화 차량에서 미래 속도 정보와 미래 주행 도로 정보를 활용하여 전동화 차량의 초기 구동 시 난방에너지를 최소화하는 방법이 제공된다.
본 발명의 효과는 전술한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 인식될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 배터리 냉난방 제어시스템의 구성도를 도시하고,
도 2는 배터리 냉난방 회로를 도시하고,
도 3은 본 발명에 따른 배터리 냉난방 제어시스템의 제어 흐름도를 도시하고,
도 4는 시간에 따른 냉각수 온도의 예시적인 변화량을 도시하고,
도 5는 배터리의 기존 초기 난방 방식(좌측)과 본 발명의 초기 난방 방식(우측)과 관련된 변수의 변화를 도시한다.
발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.
어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 또는 "직접 접촉되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는"등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.
명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급되지 않는 한 복수형도 포함된다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
기온이 낮은 지역에서는 전동화 차량의 초기 구동 시 배터리 및 냉각수를 난방할 때 PTC (Positive Temperature Coefficient) 히터가 사용되어 PTC 히터의 작동에 따른 난방에너지 손실이 있다.
본 발명은 ICT가 접목된 전동화 차량에서 결정되는 미래 속도 정보와 미래 주행 도로 정보에 기반하여 PTC 히터의 작동에 따른 에너지의 손실을 최소화하고자 한다. 구체적으로, 본 발명은 미래 배터리 전기 부하에 의해 발생하는 배터리의 열량을 예측하고, 배터리 냉각라인의 냉각수 온도 변화량을 예측한다. 그리고 본 발명은 예측된 냉각수 온도 변화량에 기초하여 배터리의 초기 난방 실시여부를 결정함으로써 초기 구동 시 소요되는 난방에너지를 최소화할 수 있다. 현재 시점에서 배터리와 냉각수의 난방을 실시하지 않아도 될 만큼 예측된 냉각수 온도 변화량이 크다면 PTC 히터를 작동하지 않고도 배터리 및 냉각수의 난방을 실시할 수 있기 때문이다. 이러한 때에는 배터리에서 발생하는 열을 최대한 활용하여 배터리 및 냉각수의 난방을 가능하게 하고, 배터리 및 냉각수의 초기 난방에 사용되는 난방에너지를 최소화할 수 있다.
따라서, 본 발명은 ICT 기반의 전동화 차량에서 미래에 발생하는 냉각수 온도 변화량을 예측하고, 이를 활용하여 추운 지역에서 전동화 차량의 초기 구동 시 배터리 및 냉각수의 난방(배터리 예열(preheating))에 배터리에서 발생하는 열을 최대한 활용하여 배터리 및 냉각수 초기 난방에 사용되는 난방에너지를 최소화하는 기술을 제안하고자 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 전동화 차량(V)은, 내연기관이 아닌, 전기 모터(10)에 의해 구동되고, 모터(10)에 전기에너지 공급을 위한 충전가능한 배터리(30)를 포함한다. 예를 들어, 전동화 차량(V)은 배터리 전기차, 연료전지 전기차, 플러그인 하이브리드 전기차 등을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 냉난방 제어시스템(100)은 ICT가 접목된 전동화 차량(V)에 적용될 수 있다. 따라서, 전동화 차량(V)은 전동화 차량(V)의 미래 주행 속도와 미래 주행 도로 정보를 획득할 수 있다. 여기에서 미래 주행 도로 정보는 전동화 차량(V)의 GPS (Global Positioning System) 위치 정보 및 해당 주행 도로의 노면 경사 정보를 포함한다.
구체적으로, 전동화 차량(V)은 전동화 차량(V)의 설정된 목적지까지의 경로, 해당 경로를 주행한 타 차량들의 주행 데이터 등 ICT를 통해 수집된 데이터에 기초하여 전동화 차량(V)의 미래 주행 속도 및 미래 주행 도로 정보를 산출할 수 있다. 일 구현예에서, 전동화 차량(V)은 ICT를 통해 필요한 각종 데이터를 수집하고, 수집된 데이터에 기초하여 미래 주행 속도와 미래 주행 도로 정보를 산출하도록 구성되는 컴퓨팅 장치(50)를 포함할 수 있다. 또한, 컴퓨팅 장치(50)는 수집된 데이터에 기초하여 전동화 차량(V)의 미래 주행 속도를 연산하도록 구성되는 미래 주행 속도 산출부(52) 및 전동화 차량(V)이 주행할 미래 주행 도로 정보를 획득하도록 구성되는 미래 주행 도로 정보 산출부(54)를 포함할 수 있다.
배터리 냉난방 제어시스템(100)은 배터리(30)의 온도를 적정하게 유지하도록 배터리(30)에 냉방과 난방을 제공하도록 구성된다. 이를 위하여, 배터리 냉난방 제어시스템(100)은 냉각수회로(200)를 포함할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 냉각수회로(200)에는 냉각수가 순환하도록 구성된다. 냉각수회로(200)에서 냉각수는 워터펌프(220)에 의해 순환되고, 배터리(30), PTC 히터(240), 배터리 칠러(260) 및 라디에이터 팬(280)과 열교환관계에 놓인다.
또한, 냉각수는 전동화 차량(V)의 공기조화시스템(Heating, Ventilation & Air Conditioning, HVAC)의 냉매회로(300)와 열교환관계에 배치된다. 냉매회로(300)에는 냉매가 순환하도록 구성된다. 냉매는 전동식 압축기(320), 응축기(340), 팽창밸브(360) 및 증발기(380) 순으로 순환하도록 구성된다. 전동식 압축기(320)를 통과한 냉매는 고온, 고압의 기체 상태가 되고, 응축기(340)를 통과한 냉매는 고온, 고압의 액체 상태가 되고, 팽창밸브(360)를 지난 냉매는 저온, 저압의 액체 상태로 변하고, 증발기(380)를 통과한 냉매는 저온, 저압의 기체로 변한다.
증발기(380)에서는 저온, 저압의 액체가 저온, 저압의 기체로 열을 흡수하며 상변화하므로 증발기(380)의 주위는 냉각되고, 응축기(340)에서는 고온, 고압의 기체가 열을 방출하며 고온, 고압의 액체가 되므로 주위가 가열되는 효과가 있다.
배터리 냉난방 제어시스템(100)이 배터리(30)의 온도를 낮추고자 할 때에는 냉각수회로(200) 및 냉매회로(300)가 활용된다. 배터리(30)의 온도는 배터리 온도센서(420)에 의해 감지되고, 냉각수의 온도는 냉각수회로(200)에 배치되는 냉각수 온도센서(440)에 의해 지속적으로 감지된다. 라디에이터 팬(280)과 전동식 압축기(320)는 미리 설정된 회전수(RPM, rotations per minute)로 동작이 제어된다. 회전수는 냉각수의 현재 온도와 냉각수의 목표온도 사이의 차이에 대한 함수에 의해 결정될 수 있다. 따라서, 일반적인 배터리 냉각 제어모드에서 라디에이터 팬(280)과 전동식 압축기(320)가 작동되면서 전기에너지가 소모된다.
배터리 냉난방 제어시스템(100)이 배터리(30)의 온도를 높이고자 할 때에는 냉각수회로(200)만이 활용될 수 있다. 이때 PTC 히터(240)가 동작하도록 구성되고, PTC 히터(240)의 작동 전압이 조절된다. PTC 히터(240)의 작동 전압은 현재 냉각수 온도와 목표 냉각수 온도 사이의 차이에 대한 함수에 의해 결정될 수 있다. 따라서, 일반적인 배터리 가온 제어모드에서 PTC 히터(240)가 작동되면서 전기에너지가 소모된다.
냉각수의 온도 제어를 위해 라디에이터 팬(280), 전동식 압축기(320), PTC 히터(240)와 같은 온도 제어용 액추에이터(600)를 구동시키지 않을 때에는 배터리(30)와 냉각수회로(200)의 냉각수가 외부 공기와 열교환을 하며 외부 공기의 온도에 따라 냉각수의 냉각과 가온이 이루어진다. 예를 들어, 외기온이 현재 냉각수 온도보다 낮으면 냉각수는 지속적으로 차가워지고 PTC 히터(240)를 작동시키지 않으면 냉각수 온도는 외기온에 이를 때까지 계속해서 낮아진다. 반면, 외기온이 현재 냉각수 온도보다 높으면 냉각수는 지속적으로 따뜻해지고 라디에이터 팬(280) 및 전동식 압축기(320)를 작동시키지 않을 경우 냉각수 온도는 외기온에 이를 때까지 계속해서 높아진다.
도 1을 재참조하면, 본 발명에 따른 배터리 냉난방 제어시스템(100)은 냉각수회로(200) 및 냉매회로(300)에 포함되는 액추에이터(600)의 작동을 제어하기 위한 제어기(500)를 포함한다. 제어기(500)는 배터리 온도센서(420) 및 냉각수 온도센서(440)를 포함하는 센서부(400)로부터 배터리와 냉각수의 실시간 온도 정보를 수신하도록 구성된다. 수신된 온도에 기초하여 제어기(500)는 액추에이터(600)의 구동을 제어할 수 있다.
제어기(500)는 배터리(30)의 목표온도를 연산하도록 구성되는 목표온도 설정부(520)를 포함한다. 목표온도 설정부(520)는 냉각수의 온도가 배터리(30) 용량이 최대가 되는 온도 근방으로 목표온도를 설정한다.
또한, 제어기(500)는 컴퓨팅 장치(50)에서 산출되는 전동화 차량(V)의 미래 주행 속도와 미래 주행 도로 정보를 수신하도록 구성된다. 제어기(500)는 수신된 미래 주행 속도와 미래 주행 도로 정보에 기초하여 초기 난방 제어 모드를 실행할 수 있다. 초기 난방 제어모드는, 특히, 기온이 낮은 지역에서 전동화 차량(V)을 초기 구동할 때의 배터리(30)의 초기 난방(preheating)에 대한 것이다. 전동화 차량(V)의 미래 주행 속도와 미래 주행 도로 정보에 기초하여 미래의 냉각수 온도 변화량을 예측하고, 냉각수 온도 상승이 클 경우 PTC 히터(240)를 사용한 난방을 하지 않는 제어 모드로서, PTC 히터(240) 미작동에 따라 에너지를 절약하게 할 수 있다.
또한, 전동화 차량(V)의 주행 부하 결정을 위해 제어기(500)는 전동화 차량(V)의 휠속센서(70)로부터 측정되는 실시간 휠속 정보를 수신할 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 초기 난방 제어모드에서 미래 냉각수 온도는 아래와 같은 과정을 통해 예측될 수 있다.
먼저, 제어기(500)는 전동화 차량(V)의 휠에서 요구되는 휠 주행 부하 토크(Twheel)를 산출한다. 제어기(500)는 전동화 차량(V)의 휠 반경(rw)과 하중(m), 미래 주행 속도 산출부(52)로부터 입력받은 미래 주행 속도(v), 미래 주행 도로 정보 산출부(54)로부터 입력받은 노면 경사각(θ)에 기초하여 아래 수학식 1과 같이 휠 주행 부하 토크(Twheel)를 산출할 수 있다.
[수학식 1]
Twheel =
Figure pat00001
여기에서 g는 중력가속도이다.
수학식 1을 간단히 하면 휠 주행 부하 토크(Twheel)는 아래 수학식 2와 같이 결정될 수 있다. 여기에서
Figure pat00002
은 휠 반경(rw)과 하중(m)을 반영하는 비례계수이고,
Figure pat00003
는 휠 반경(rw), 하중(m), 중력가속도(g)를 반영한 비례계수이다.
[수학식 2]
Twheel =
Figure pat00004
그리고 제어기(500)는 휠 주행 부하 토크(Twheel)에 기반하여 모터(10)의 모터 주행 부하 토크(Tmotor)를 연산하도록 구성된다. 모터 주행 부하 토크(Tmotor)는 모터(10)와 휠 사이의 기어가 있으므로 기어비(igear)를 고려하여 아래 수학식 3과 같이 계산될 수 있다.
[수학식 3]
Tmotor = igear × Twheel
그리고 모터(10)에 인가되는 모터 전류는 모터 토크와 비례하므로 제어기(500)는 주행 부하에 의해 필요한 모터 요구 전류(Imotor)를 모터 주행 부하 토크(Tmotor)에 기초하여 아래 [수학식 4]와 같이 계산할 수 있다. 여기에서 k1은 비례상수이다.
[수학식 4]
Figure pat00005
제어기(500)는 모터 요구 전류(Imotor)에 기초하여 배터리 요구 전류(Ibattery)를 산출한다. 모터(10)의 전류는 배터리(30)에서 공급하므로 배터리 요구 전류(Ibattery)는 모터 요구 전류(Imotor)를 통해 [수학식 5]와 같이 계산될 수 있다. k2는 배터리(30)의 효율을 고려한 상수이며, k3는 모터(10)와 배터리(30) 사이의 도선 저항과 기타 전장부하로 소모되는 전류를 고려한 상수이다.
[수학식 5]
Ibattery = k2 × Imotor + k3
위 수학식 5는 수학식 6과 같이 간소화될 수 있다.
[수학식 6]
Ibattery =
Figure pat00006
수학식 6에서
Figure pat00007
은 샤프트 기어비와 토크 및 전류 사이의 단위변환 상수, 배터리 효율을 반영하는 비례상수이며,
Figure pat00008
는 모터(10)와 배터리(30) 사이의 도선 저항과 기타 전장부하로 소모되는 전류를 고려한 상수이다.
그리고 제어기(500)는 배터리 발생 열량(Cbattery)를 산출하도록 구성된다. 배터리(30)에서 발생하는 열량인 배터리 발생 열량(Cbattery)은 배터리 요구 전류(Ibattery)에 기초하여 수학식 7과 같이 계산될 수 있다. 수학식 7에서 Req는 배터리(30)의 등가저항이며, 배터리(30)의 등가저항은 배터리 온도의 함수로 표현될 수도 있다.
[수학식 7]
Cbattery =
Figure pat00009
또는 수학식 8과 같이 수학식 7은 간소화될 수 있다. 수학식 8에서
Figure pat00010
는 배터리(30)의 등가저항을 반영하는 비례상수이고, 배터리 온도의 함수로 표현될 수 있다.
[수학식 8]
Cbattery =
Figure pat00011
제어기(500)는 배터리 발생 열량(Cbattery)에 기초하여 수학식 9와 같이 시간(t)에 따른 미래 냉각수 온도(Tc,p)를 산출한다. 수학식 9에서 Tc,c는 현재 냉각수 온도, meq는 냉각수와 배터리(30)의 등가 질량, Ceq는 냉각수와 배터리(30)의 등가 비열이다.
[수학식 9]
Tc,p(t) = Tc,c +
Figure pat00012
수학식 9를 간소화하면 수학식 10이 획득될 수 있다.
Figure pat00013
는 냉각수와 배터리(30)의 등가 질량 및 등가 비열을 반영하는 비례상수이다.
[수학식 10]
Tc,p(t) = Tc,c +
Figure pat00014
그리고 제어기(500)는 미래 냉각수 온도 상승률(Rtemp)를 결정한다. 미래 냉각수 온도 상승률(Rtemp)은 수학식 11에 기반하여 획득될 수 있다.
[수학식 11]
Figure pat00015
이때 Δt는 온도 상승률을 계산하는 시간 간격을 의미하며, 이 시간을 초기 난방 기간이라 지칭하기로 한다. 초기 난방 기간(Δt)은 상황에 따라 변동될 수 있다.
제어기(500)는 결정된 미래 냉각수 온도 상승률(Rtemp)에 기초하여 초기 난방을 위한 PTC 히터(240)의 작동 여부를 결정할 수 있다. 만일 미래 냉각수 온도 상승률(Rtemp)이 기 설정된 하한치보다 크면 초기 난방 기간(Δt)동안 PTC 히터(240)를 작동하지 않는다. 미래 냉각수 온도의 상승률을 고려하는 이유는 냉각수 온도가 너무 천천히 오를 경우 오랫동안 배터리의 출력이나 효율이 좋지 못할 수 있기 때문이다.
만일 미래 냉각수 온도 상승률((Rtemp))이 기 설정된 하한치보다 작거나 초기 난방이 끝났을 때에는 일반 제어를 실시한다. 일반 제어 시 제어기(500)는 목표 냉각수 온도와 현재 냉각수 온도 간의 차이를 활용하여 액추에이터(600)를 구동할 수 있다. 이때 목표 냉각수 온도는 배터리 용량과 효율이 최대가 되는 근방의 온도로 설정된다.
일반적으로 냉각수의 현재 온도가 목표온도보다 낮을 때는 냉각수 온도를 높이기 위해 PTC 히터(240)가 작동되며, PTC 히터(240)의 작동 전압은 목표 냉각수 온도와 현재 냉각수 온도 사이의 차의 함수 혹은 맵으로 결정될 수 있다. 반면, 냉각수의 현재 온도가 목표온도보다 높을 때는 냉각수 온도를 낮추기 위해 라디에이터 팬(280) 혹은 전동식 압축기(320)가 작동되며, 이때 라디에이터 팬(280) 또는 전동식 압축기(320)의 회전수(RPM)는 목표 냉각수 온도와 실제 냉각수 온도와의 오차의 함수 혹은 맵으로 결정될 수 있다.
도 3에는 본 발명에 따른 배터리 냉난방시스템의 제어 흐름도가 도시되어 있다.
단계 S10에서 제어가 시작된다. 냉각수 온도센서(440)에 의해 냉각수회로(200)의 냉각수 온도가 측정되고, 이는 제어기(500)에 전달된다(S30). 제어기(500)는 앞서 수학식 1 내지 11에 기초하여 미래 냉각수의 온도를 예측하고, 미래 냉각수 온도 상승률(Rtemp)을 산출한다(S50).
단계 S70에서 제어기(500)는 산출된 미래 냉각수 온도 상승률(Rtemp)을 기 설정된 하한치와 비교한다.
미래 냉각수 온도 상승률(Rtemp)이 하한치보다 큰 경우 제어기(500)는 배터리(30)에서 발생하는 열에 의해 초기 난방이 필요치 않을 것으로 판단하고 PTC 히터(240)를 작동시키지 않는다(S90). 그리고 제어기(500)는 냉각수 온도센서(440)의 측정치에 기반하여 냉각수 온도가 목표온도를 초과하는지 모니터링한다(S130). 냉각수 온도가 목표온도를 초과하는 경우, 프로세스를 종료한다(S150). 만일 냉각수 온도가 목표온도를 초과하지 않으면 일반 온도제어 모드로 진입하고(S110), 현재 냉각수 온도에 따라 PTC 히터(240)를 작동시킨다.
반면, 미래 냉각수 온도 상승률(Rtemp)이 하한치보다 크지 않은 경우에는 제어기(500)는 일반 온도제어 모드로 진입한다(S100). 일반 온도제어 모드에서 제어기(500)는 현재 냉각수 온도가 목표온도에 이르도록 PTC 히터(240)를 작동시킨다. 그리고 냉각수 온도가 목표온도를 초과하면 프로세스를 종료한다 (S130, S150).
도 4와 같이, 본 발명의 원리를 나타내는 그림으로 추운 지역에서 배터리(30) 난방 시 전동화 차량(V)의 미래 주행 속도와 노면 경사각 정보를 활용하여 배터리(30)에서 주행 부하에 의해 발생하는 열량과 냉각수 온도를 예측할 수 있으며, 초기 특정 시간 동안 예측되는 냉각수 온도의 상승률을 계산하여 상승률이 특정값, 즉, 기 설정된 하한치보다 큰 경우 냉각수 난방에 PTC 히터(240)와 같은 추가적인 액추에이터(600)를 작동시키지 않고 배터리(30)에서 발생하는 열만으로 배터리 및 냉각수를 난방할 수 있다. 그에 따라 배터리 및 냉각수의 초기 난방에 사용되는 에너지를 절약할 수 있다.
도 5는 추운 지역에서 전동화 차량(V)을 초기 구동하는 경우 기존 초기 난방 방식과 본 발명에 따른 초기 난방 방식을 예시적으로 비교한다. 도 5의 좌측에 있는 그래프들은 기존 초기 난방 방식에 의하는 경우 각 파라미터의 변화를 나타내고, 도 5의 우측에 있는 그래프들은 본 발명에 의한 초기 난방 방식에 의하는 경우 각 파라미터의 변화를 도시한다.
양 경우 모두 미래 주행 속도, 미래 노면 경사가 동일한 것으로 가정되며, 이에 의해 배터리 요구 전류, 배터리 열 발생량, 냉각수 온도 변화량은 동일한 상태이다. 이러한 상태에서 기존 초기 난방 방식에서는 전동화 차량(V)을 구동하자마자 배터리(30)와 냉각수의 온도를 상승시키기 위해서 PTC 히터(240)를 바로 작동시킨다(도 5 좌측의 시간에 따른 PTC 히터(240) 작동 시간 참조). 시간에 따른 배터리 온도 그래프에 나타난 바와 같이, 전동화 차량(V)이 계속 주행하다 보면 배터리(30)에 열이 발생하고, 발생된 열은 다시 냉각수 온도를 높인다. 이에 냉각수 온도를 목표 온도로 유지시키기 위해 라디에이터 팬(280) 및 전동식 압축기(320)를 작동시켜 냉각수 온도를 낮춘다. 이러한 경우 초기 난방 시 액추에이터(600)의 작동시간이 길고(도 5 좌측의 시간에 따른 라디에이터 팬 또는 전동식 압축기 작동 시간), 이로 인하여 온도 제어에 소비되는 에너지가 커진다(도 5 좌측의 시간에 따른 액추에이터 작동 에너지 참조).
반면, 본 발명의 초기 난방 방식에서는 전동화 차량(V)의 미래 주행 속도, 미래 주행 도로 정보에 기초하여 미래 배터리의 열 발생량과 냉각수 온도를 예측한다. 전동화 차량(V)의 초기 구동 시 빠른 시간 내에 냉각수 온도가 목표온도와 근접해질 것으로 예측된다면 PTC 히터(240)를 추가적으로 작동시키지 않는다. 그리고 배터리(30)에서 발생하는 열만을 활용하여 배터리(30) 및 냉각수를 난방함으로써 온도 제어용 액추에이터(600)를 구동하는데 사용되는 에너지를 절약할 수 있다. 도 5의 우측 그래프들에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 초기 난방 제어 방식에서는 라디에이터 팬(280) 또는 전동식 압축기를 작동시킬 필요가 없고, PTC 히터(240)의 초기 구동도 생략될 수 있다. 따라서, 액추에이터(600)의 작동 에너지가 기존 방식에 비해 현저히 작은 것을 확인할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
V: 전동화 차량 10: 모터
30: 배터리 50: 컴퓨팅 장치
52: 미래 주행 속도 산출부 54: 미래 주행 도로 정보 산출부
70: 휠속센서 100: 배터리 냉난방 제어시스템
200: 냉각수회로 220: 워터펌프
240: PTC 히터 260: 배터리 칠러
280: 라디에이터 팬 300: 냉매회로
320: 압축기 340: 응축기
360: 팽창밸브 380: 증발기
400: 센서부 420: 배터리 온도센서
440: 냉각수 온도센서 500: 제어기
520: 목표온도 설정부 600: 액추에이터

Claims (10)

  1. 전동화 차량의 배터리의 냉난방 제어시스템으로서,
    냉각수가 순환하도록 구성되고, 상기 냉각수와 열교환 관계에 배치되는 배터리 및 상기 냉각수를 가열가능한 PTC (Positive Temperature Coefficient) 히터를 포함하는 냉각수회로;
    상기 냉각수회로의 냉각수의 온도를 감지하도록 구성되는 냉각수 온도센서;
    상기 PTC 히터의 작동을 제어하도록 구성되는 제어기를 포함하고,
    상기 제어기는:
    상기 전동화 차량에서 연산되는 상기 전동화 차량의 미래 주행 속도 및 미래 주행 도로 정보를 수집하고,
    상기 미래 주행 속도 및 미래 주행 도로 정보에 기초하여 상기 전동화 차량의 초기 구동 시 초기 난방 기간동안 미래 냉각수 온도 상승률을 산출하도록 구성되는 것인 배터리 냉난방 제어시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제어기는, 상기 미래 냉각수 온도 상승률이 기 설정된 하한치를 초과하면 초기 난방 기간동안 PTC 히터를 미작동시키도록 구성되는 것인 배터리 냉난방 제어시스템.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 제어기는 상기 미래 냉각수 온도 상승률이 기 설정된 하한치 이하이면 초기 난방 기간동안 PTC 히터를 작동시키는 것인 배터리 냉난방 제어시스템.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 미래 냉각수 온도 상승률은 상기 미래 주행 속도 및 미래 주행 도로 정보에 기반하여 예측되는 미래 배터리 발생 열량에 기초하여 결정되는 것인 배터리 냉난방 제어시스템.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 미래 배터리 발생 열량은 상기 미래 주행 속도 및 미래 주행 도로 정보에 기반하여 예측되는 상기 전동화 차량의 주행 부하 토크에 기반하여 결정되는 것인 배터리 냉난방 제어시스템.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 주행 부하 토크는 상기 미래 주행 속도 및 미래 주행 도로 정보에 기반하여 예측되는, 상기 전동화 차량의 휠 주행 부하 토크를 포함하는 것인 배터리 냉난방 제어시스템.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 미래 주행 도로 정보는 상기 전동화 차량의 GPS (Global Positioning System) 위치 및 상기 위치의 노면 경사각을 포함하는 것인 배터리 냉난방 제어시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각수와 열관계에 놓이는 냉매가 순환하도록 구성되고, 상기 제어기에 의해 작동이 제어되는 전동식 압축기, 응축기 및 증발기를 포함하는 냉매회로를 더 포함하고,
    상기 냉각수회로는 상기 제어기에 의해 작동이 제어되는 라디에이터 팬을 더 포함하는 것인 배터리 냉난방 제어시스템.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 미래 냉각수 온도 상승률이 기 설정된 하한치 이하인 것으로 결정되면, 상기 제어기는, 상기 냉각수 온도센서에 의해 감지되는 현재 냉각수 온도가 설정된 배터리의 목표온도를 추종하도록 상기 라디에이터 팬, 전동식 압축기 및 PTC 히터 중 적어도 하나의 작동을 제어하도록 구성되는 것인 배터리 냉난방 제어시스템.
  10. 청구항 8에 있어서, 상기 미래 냉각수 온도 상승률이 기 설정된 하한치를 초과하는 것으로 결정되면, 상기 제어기는, 초기 난방 기간동안 PTC 히터를 미작동시키도록 구성되고,
    상기 PTC 히터를 미작동한 뒤 일정시간 경과 후 상기 냉각수 온도센서에 의해 감지된 냉각수 온도가 설정된 배터리의 목표온도 이하인 경우에는 냉각수 온도센서에 의해 감지되는 현재 냉각수 온도가 설정된 배터리의 목표온도를 추종하도록 상기 라디에이터 팬, 전동식 압축기 및 PTC 히터 중 적어도 하나의 작동을 제어하도록 구성되는 것인 배터리 냉난방 제어시스템.
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