KR20230150428A - 차량용 배터리 열관리 장치 및 차량용 배터리 열관리 방법 - Google Patents

차량용 배터리 열관리 장치 및 차량용 배터리 열관리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 조립부를 구비하는 복수의 벽체에 의해 적어도 하나 이상의 배터리 수용공간이 형성되는 하우징; 상기 조립부의 내부에 삽입되는 것으로서, 배터리를 향하는 결합면에 제1 유로를 구비하는 본체부; 상기 본체부에서 연장되면서 끝단이 상기 조립부를 관통하여 외부로 노출되는 것으로서, 상기 조립부에 한 쌍을 이루도록 구성되는 유입관 및 배출관; 및 상기 제1 유로를 밀폐하도록 상기 결합면에 결합되는 플레이트; 를 포함하는 차량용 배터리 열관리 장치를 제공한다.

Description

차량용 배터리 열관리 장치 및 차량용 배터리 열관리 방법{HEAT MANAGEMENT APPARATUS OF BATTERY FOR VEHICLE AND HEAT MANAGEMENT METHOD OF BATTERY FOR VEHICLE}
본 발명은 전동이륜차의 리튬이온배터리의 최적사용온도 유지를 위한 차량용 배터리 열관리 장치 및 차량용 배터리 열관리 방법에 관한 것이다.
근래에 들어 전 세계적으로 환경 규제와 에너지 문제가 대두되고 있다. 이를 해결하기 위해서 각국에서는 전기 동력을 이용한 전기 자동차 및 전동이륜차와 같은 친환경 차량의 연구개발이 가속화되고 있다. 친환경 차량의 냉각 성능은 주행 성능을 확보하기 위한 중요한 요소이다.
전기력에 의해 차륜이 구동되는 전동이륜차는 배터리의 전원을 이용하여 차륜이 구동되도록 함으로써, 환경에 악영향을 끼치는 유해물질이 배출되지 않고 주동력원인 배터리를 충전하여 반복적으로 사용할 수 있다.
도 1은 종래의 전기자동차용 배터리 모듈 조립체의 열관리 장치를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 전기자동차용 배터리 모듈 조립체의 열관리 장치(100)는 에어 컴프레셔(10), 배터리 트레이(3)에 설치되고 에어 컴프레셔(10)와 연결되며 에어 컴프레셔(10)로부터 공급되는 압축 공기를 더운 공기와 냉각 공기로 분리하는 냉온 공기 분리기(30) 및 냉온 공기 분리기(30)의 더운 공기 배출 측 및 냉각 공기 배출 측과 선택적으로 연결되며 배터리 트레이(3)에 배터리 모듈(2)들의 배열 방향을 따라 구비되는 메인 통로부(50)를 포함한다.
그런데 종래의 배터리 히팅 기술들은 대부분 별도의 장치에 의한 배터리 히팅하는 방식으로 차량에 장착된 모터나 모터 컨트롤 유닛 등과 같은 냉각대상의 폐열을 이용한 배터리 히팅 메커니즘의 개발이 요구되는 실정이다.
대한민국 공개특허공보 제10-2021-0079829호(2021.06.30. 공개)
전술한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 차량에 장착된 모터나 모터 컨트롤 유닛 등과 같은 냉각대상의 폐열을 이용하여 배터리를 히팅할 수 있도록 한 차량용 배터리 열관리 장치 및 차량용 배터리 열관리 방법을 제공한다.
전술한 목적을 이루기 위해 본 발명은, 조립부를 구비하는 복수의 벽체에 의해 적어도 하나 이상의 배터리 수용공간이 형성되는 하우징; 상기 조립부의 내부에 삽입되는 것으로서, 배터리를 향하는 결합면에 제1 유로를 구비하는 본체부; 상기 본체부에서 연장되면서 끝단이 상기 조립부를 관통하여 외부로 노출되는 것으로서, 상기 조립부에 한 쌍을 이루도록 구성되는 유입관 및 배출관; 및 상기 제1 유로를 밀폐하도록 상기 결합면에 결합되는 플레이트; 를 포함하는 차량용 배터리 열관리 장치를 제공한다.
또한, 상기 조립부의 내부에서 상기 본체부를 탄성 지지하는 탄성부재의 탄성력이 작용하는 상기 플레이트에 결합되는 열전달부재; 를 더 포함한다.
또한, 상기 본체부의 제1 유로는 상기 유입관의 제2 유로 및 상기 배출관의 제3 유로와 연결된다.
또한, 상기 유입관 및 상기 배출관은 상기 조립부의 상, 하로 배열된다.
또한, 상기 하우징은 격벽에 의해 배터리를 수용할 수 있는 제1 수용공간 및 제2 수용공간으로 구획된다.
또한, 상기 하우징은 상기 제1 수용공간 및 상기 제2 수용공간을 형성하는 전방 벽체, 후방 벽체, 좌측 벽체 및 우측 벽체 각각에 상기 조립부가 일체로 형성된다.
또한, 상기 하우징은 알루미늄 합금으로 구성된다.
또한, 상기 탄성부재는 스프링이다.
또한, 상기 열전달부재는 히터필름이다.
또한, 상기 열전달부재는 폴리이미드로 구성된다.
또한, 상기 열전달부재는 단자에 의해 전원과 전기적으로 연결된다.
또한, 상기 전원은 보조 배터리이다.
또한, 상기 유입관의 제2 유로로 유입된 냉각수는 상기 본체부의 제1 유로를 거쳐 상기 배출관의 제3 유로를 통해 배출된다.
또한, 상기 냉각수는 차량에 장착되는 냉각대상의 페열을 흡수한다.
또한, 상기 냉각대상은 모터 또는 모터 컨트롤 유닛이다.
본 발명은 제 1 항 내지 제 15 항에 따른 차량용 배터리 열관리 장치로 냉각수를 공급하여 냉각수의 폐열 또는 열전달부재의 열에 의해 배터리의 온도를 설정온도로 제어하는 배터리 열관리 방법을 제공한다.
또한, 냉각수가 냉각수 유로를 따라 순환하도록 하여 차량에 장착된 냉각대상의 폐열이 냉각수에 전달되게 하는, 폐열 포집 단계; 및 상기 배터리의 온도가 설정온도 아래이면 상기 냉각수를 상기 차량용 배터리 열관리 장치로 공급하여 상기 냉각수의 폐열이 상기 배터리(700)에 전달되게 함으로써 상기 배터리(700)를 설정온도로 히팅시키는, 배터리 히팅 단계; 를 포함한다.
또한, 상기 배터리 히팅 단계에서, 상기 냉각수는 일렉트로닉 워터 펌프의 구동에 의해 상기 차량용 배터리 열관리 장치로 공급한다.
본 발명은 차량에 장착된 모터나 모터 컨트롤 유닛 등과 같은 냉각대상의 폐열을 이용하여 배터리를 히팅할 수 있다.
또한, 본 발명은 차량 장착되는 모터나 모터 컨트롤 유닛의 폐열을 이용하여 배터리를 설정온도로 유지시킴으로써, 전동이륜차의 주행 성능을 확보할 수 있다.
도 1은 종래의 전기자동차용 배터리 모듈 조립체의 열관리 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 차량용 배터리 열관리 장치의 사시도이다.
도 3은 도 2의 A-A 선 단면도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전원과 열전달부재의 연결 상태를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 차량용 배터리 열관리 장치의 사시도이고, 도 3은 도 2의 A-A 선 단면도이며, 도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전원과 열전달부재의 연결 상태를 나타내는 도면이다.
도 2 내지 4에 도시된 바와 같이, 본 발명은 배터리(배터리 팩)의 수용공간과 복수로 구성되는 벽체에 일체로 구비되는 조립부(220)를 갖는 하우징(200), 조립부(220)에 삽입되는 본체부(300), 본체부(300)에 일체로 구성되면서 차량에 장착되는 냉각대상에서 폐열을 흡수한 냉각수(900)가 유입되는 유입관(320), 냉각수(900)가 배출되는 배출관(330) 및 본체부(300)에 결합되는 플레이트(400)를 포함한다.
하우징(200)은 열전달이 원활히 이루어질 수 있도록 알루미늄 합금으로 구성하는 것이 바람직하다.
하우징(200)은 조립부(220)를 구비하는 복수의 벽체에 의해 적어도 하나 이상의 배터리(700) 수용공간이 형성될 수 있다.
하우징(200)의 수용공간은 2개의 배터리(700)를 수용할 수 있는 제1 수용공간(201) 및 제2 수용공간(202)을 포함한다.
제1 수용공간(201) 및 제2 수용공간(202)은 하우징(200) 내부의 격벽(215)에 의해 양측으로 구획될 수 있다.
하우징(200)은 전방 벽체(211), 후방 벽체(212), 좌측 벽체(213) 및 우측 벽체(214)를 포함한다. 전방 벽체(211), 후방 벽체(212), 좌측 벽체(213) 및 우측 벽체(214)에 의해 제1 수용공간(201) 및 제2 수용공간(202)이 형성될 수 있다.
전방 벽체(211)는 제1 수용공간(201) 및 제2 수용공간(202)의 전방을 구성할 수 있다. 후방 벽체(212)는 제1 수용공간(201) 및 제2 수용공간(202)의 후방을 구성할 수 있다. 좌측 벽체(213)는 제1 수용공간(201)의 좌측을 구성할 수 있다. 우측 벽체(214)는 제2 수용공간(202)의 우측을 구성할 수 있다.
전방 벽체(211), 후방 벽체(212), 좌측 벽체(213) 및 우측 벽체(214) 각각에 조립부(220)가 일체로 형성될 수 있다.
본체부(300)는 조립부(220)의 내부에 삽입될 수 있다. 본체부(300)는 배터리 (700)를 향하는 결합면(310)에 제1 유로(311)가 구비될 수 있다. 본체부(300)의 결합면(310) 반대편 면은 탄성부재(600)에 의해 탄성 지지될 수 있다. 예컨대, 탄성부재(600)는 스프링(spring)일 수 있다.
본체부(300)의 제1 유로(311)는 유입관(320)의 제2 유로(321) 및 배출관(330)의 제3 유로(331)와 연결될 수 있다.
유입관(320) 및 배출관(330)은 조립부(220)의 상, 하로 배열될 수 있다.
유입관(320)의 제2 유로(321)를 통해 냉각수(900)가 유입될 수 있다. 유입관(320)은 본체부(300)에서 연장된다. 유입관(320)의 끝단은 조립부(220)를 관통하여 외부로 노출될 수 있다. 유입관(320)은 조립부(220)의 상부에 위치한다.
배출관(330)의 제3 유로(331)를 통해 냉각수(900)가 배출될 수 있다. 배출관(330)은 본체부(300)에서 연장된다. 배출관(330)의 끝단은 조립부(220)를 관통하여 외부로 노출될 수 있다. 배출관(330)은 조립부(220)의 하부에 위치하여 유입관(320)과 한 쌍을 이룰 수 있다.
플레이트(400)는 본체부(300)의 결합면(310)에 결합되어 본체부(300)의 제1 유로(311)를 밀폐할 수 있다.
탄성부재(600)의 탄성력은 플레이트(400)에 작용할 수 있다. 탄성부재(600)의 탄성력에 의해 플레이트(400)는 배터리(700) 방향으로 밀릴 수 있다. 플레이트(400)는 배터리(700)에 밀착 또는 근접 조립될 수 있다.
열전달부재(500)는 플레이트(400)에 결합될 수 있다. 예컨대, 열전달부재(500)는 히터필름일 수 있다. 열전달부재(500)는 폴리이미드(Polyimide)로 구성될 있다. 열전달부재(500)는 배터리(700)에 인위적으로 열을 공급할 수 있다.
차량에 장착되는 모터(미도시) 또는 모터 컨트롤 유닛(미도시) 등과 같은 냉각대상의 폐열은 냉각수에 의해 냉각될 수 있다. 냉각대상의 폐열이 흡수된 냉각수는 유입관(320)의 제2 유로(321)으로 유입될 수 있다.
유입관(320)의 제2 유로(321)으로 유입된 냉각수는 본체부(300)의 제1 유로(311)를 통과한다. 냉각수가 본체부(300)의 제1 유로(311)를 통과하는 과정에서 냉각수의 폐열은 플레이트(400)에 전달될 수 있다.
플레이트(400)의 전체 면적에 냉각수의 폐열이 전달되고 플레이트(400)에 전달된 냉각수의 폐열은 배터리(700)로 전달될 수 있다. 이로 인해 배터리(700)의 온도가 설정온도로 히팅될 수 있다.
열전달부재(500)는 릴레이 단자(510)에 의해 보조 배터리 등과 같은 전원(800)과 전기적으로 연결될 수 있다.
이와 같이 열전달부재(500)는 전원(800)으로부터 전기 에너지를 공급받아 발열하면서 플레이트(400)와 별도로 배터리(700)를 히팅시킬 수 있다.
일예로서 배터리(700)는 냉각수의 폐열 또는 열전달부재(500)의 열에 의해 히팅될 수 있다. 배터리(700)는 냉각수의 폐열 및 열잔달부재(500)의 열에 의해 히팅될 수 있다.
다음은 차량용 배터리 열관리 방법에 대해 설명한다.
차량용 배터리 열관리 방법은 차량용 배터리 열관리 장치를 이용하여 차량에 장착되는 냉각대상에서 열을 흡수한 냉각수의 열 또는 열전달부재(500)의 열에 의해 배터리(700)의 온도를 설정온도로 히팅시킬 수 있다.
차량용 배터리 열관리 방법은 폐열 포집 단계 및 배터리 히팅 단계를 포함한다.
폐열 포집 단계는, 차량에 장착된 냉각대상에서 발생하는 폐열을 냉각수를 통해 흡수하는 단계이다.
배터리 히팅 단계는, 배터리(700)의 온도가 설정온도 아래이면 차량용 배터리 열관리 장치를 통해 냉각수의 폐열을 배터리(700)로 공급하여 냉각수의 폐열에 의해 배터리(700)를 히팅하는 단계이다.
차량 운전 초기에는 모터와 모터 컨트롤 유닛에서 발생되는 폐열을 축적하기 위해 일렉트로닉 워터 펌프(미도시)를 강제 구동시켜 냉각수를 모터 및 모터 컨트롤 유닛을 통과하도록 순환시켜 일정 시간 폐열을 축적한다. 폐열이 축적된 냉각수를 차량 배터리 열관리 장치로 공급한다.
냉각수의 폐열에 의해 배터리(700)가 히팅되어 배터리(700)의 온도가 설정온도에 도달하게 되면 일렉트로닉 워터 펌프(EWP, Electronic Water Pump)의 구동을 중단시켜 냉각수의 폐열이 배터리(700)로 공급되지 않게 한다.
차량 정상주행 상태에서는 불필요한 전력 낭비를 막기 위해 일렉트로닉 워터 펌프를 정지시킨다.
일렉트로닉 워터 펌프를 정지시킨 후 모터와 모터 컨트롤 유닛의 발열상태에 따라 일렉트로닉 워터 펌프의 구동여부를 제어할 수 있다.
살펴본 바와 같이, 본 발명은 차량에 장착된 모터나 모터 컨트롤 유닛 등과 같은 냉각대상의 폐열을 이용하여 배터리를 히팅할 수 있다. 또한, 본 발명은 차량 장착되는 모터나 모터 컨트롤 유닛의 폐열을 이용하여 배터리를 설정온도로 유지시킴으로써, 전동이륜차의 주행 성능을 확보할 수 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 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 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.
200 : 하우징 201 : 제1 수용공간
202 : 제2 수용공간 220 : 조립부
300 : 본체부 320 : 유입관
330 : 배출관 400 : 플레이트
500 : 열전달부재 600 : 탄성부재

Claims (18)

  1. 조립부를 구비하는 복수의 벽체에 의해 적어도 하나 이상의 배터리 수용공간이 형성되는 하우징;
    상기 조립부의 내부에 삽입되는 것으로서, 배터리를 향하는 결합면에 제1 유로를 구비하는 본체부;
    상기 본체부에서 연장되면서 끝단이 상기 조립부를 관통하여 외부로 노출되는 것으로서, 상기 조립부에 한 쌍을 이루도록 구성되는 유입관 및 배출관; 및
    상기 제1 유로를 밀폐하도록 상기 결합면에 결합되는 플레이트;
    를 포함하는 차량용 배터리 열관리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 조립부의 내부에서 상기 본체부를 탄성 지지하는 탄성부재의 탄성력이 작용하는 상기 플레이트에 결합되는 열전달부재;
    를 더 포함하는 차량용 배터리 열관리 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 본체부의 제1 유로는,
    상기 유입관의 제2 유로 및 상기 배출관의 제3 유로와 연결되는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 열관리 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 유입관 및 상기 배출관은,
    상기 조립부의 상, 하로 배열되는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 열관리 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징은,
    격벽에 의해 배터리를 수용할 수 있는 제1 수용공간 및 제2 수용공간으로 구획되는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 열관리 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 하우징은,
    상기 제1 수용공간 및 상기 제2 수용공간을 형성하는 전방 벽체, 후방 벽체, 좌측 벽체 및 우측 벽체 각각에 상기 조립부가 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 열관리 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징은,
    알루미늄 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 열관리 장치.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 탄성부재는,
    스프링인 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 열관리 장치.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 열전달부재는,
    히터필름인 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 열관리 장치.
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 열전달부재는,
    폴리이미드로 구성되는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 열관리 장치.
  11. 제 2 항에 있어서,
    상기 열전달부재는,
    단자에 의해 전원과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 열관리 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 전원은,
    보조 배터리인 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 열관리 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 유입관의 제2 유로로 유입된 냉각수는 상기 본체부의 제1 유로를 거쳐 상기 배출관의 제3 유로를 통해 배출되는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 열관리 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 냉각수는,
    차량에 장착되는 냉각대상의 페열을 흡수하는 것을 특징으로 차량용 배터리 열관리 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 냉각대상은,
    모터 또는 모터 컨트롤 유닛인 것을 특징으로 차량용 배터리 열관리 장치.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항에 따른 차량용 배터리 열관리 장치로 냉각수를 공급하여 냉각수의 폐열 또는 열전달부재의 열에 의해 배터리의 온도를 설정온도로 제어하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 열관리 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    냉각수가 냉각수 유로를 따라 순환하도록 하여 차량에 장착된 냉각대상의 폐열이 냉각수에 전달되게 하는, 폐열 포집 단계; 및
    상기 배터리의 온도가 설정온도 아래이면 상기 냉각수를 상기 차량용 배터리 열관리 장치로 공급하여 상기 냉각수의 폐열이 상기 배터리에 전달되게 함으로써 상기 배터리를 설정온도로 히팅시키는, 배터리 히팅 단계;
    를 포함하는 차량용 배터리 열관리 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 배터리 히팅 단계에서,
    상기 냉각수는 일렉트로닉 워터 펌프의 구동에 의해 상기 차량용 배터리 열관리 장치로 공급하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 열관리 방법.
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