KR20240000023A - 전기자동차용 배터리 열관리 시스템 - Google Patents

전기자동차용 배터리 열관리 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기자동차용 배터리 열관리 시스템에 관한 것으로, 제1열교환매체가 순환되며 배터리모듈과 열교환하는 열관리유닛과; 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기를 구비하여 제2열교환매체가 순환되는 사이클유닛과, 사이클유닛으로부터 분기되고, 배터리모듈의 온도가 상승되도록 제2열교환매체를 제1열교환매체와 열교환시키는 가열유닛 및 사이클유닛으로부터 분기되고, 배터리모듈의 온도가 하강되도록 제2열교환매체를 제1열교환매체와 열교환시키는 냉각유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전기자동차용 배터리 열관리 시스템{BATTERY THERMAL MANAGEMENT SYSTEM FOR ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 전기자동차용 배터리 열관리 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배터리모듈의 출력 효율을 향상시킬 수 있는 전기자동차용 배터리 열관리 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 최근 에너지 효율과 환경오염 문제에 대한 관심이 증가하면서 내연기관 자동차를 실질적으로 대체할 수 있는 친환경 자동차로 배터리에 충전된 전력으로 모터를 구동하여 주행하는 전기자동차(EV)에 대한 개발이 활발히 이루어지고 있다.
전기자동차에는 차량 전반의 열관리를 수행하기 위한 열관리 시스템이 탑재된다. 열관리 시스템은 공기조화장치의 에어컨 시스템, 그리고 전력계통의 열관리와 냉각을 위해 냉각수나 냉매를 이용하는 냉각 시스템, 그리고 히트 펌프 시스템을 포함하는 넓은 의미의 시스템으로 정의할 수 있다.
이 중 전기자동차용 배터리 냉각 시스템은 차량 구동을 위한 전력전자 부품에 작동 전력을 공급하는 배터리의 냉각수 유로를 따라 냉각수를 순환시켜 전력전자 부품과 배터리의 온도를 제어한다. 최근 전기자동차에서는, 차량의 항속거리를 증가시키고 전비를 향상시키기 위해, 차량 전단부에 2개의 라디에이터를 배치하고 각 라디에이터를 순환하는 병렬의 냉각수 라인을 구성하여, 전력전자 부품과 배터리를 분리하여 냉각하는 수냉식 냉각 시스템이 사용되고 있다.
그러나 종래의 전기자동차용 배터리 냉각 시스템은 구조가 복잡하고, 차량 전방에 배치된 라디에이터가 차량 외부의 공기와의 열교환에 의해 냉각수를 냉각시킴에 따라 설치 공간을 과도하게 차지하고, 기온이 높은 환경에서 냉각수의 냉각효율이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2017-014280호(2017.12.28 공개, 발명의 명칭: 전기자동차용 배터리 팩 냉각시스템)에 개시되어 있다.
본 발명은 배터리모듈의 출력 효율을 향상시킬 수 있는 전기자동차용 배터리 열관리 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명에 따른 전기자동차용 배터리 열관리 시스템은: 제1열교환매체가 순환되며 배터리모듈과 열교환하는 열관리유닛과; 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기를 구비하여 제2열교환매체가 순환되는 사이클유닛과; 상기 사이클유닛으로부터 분기되고, 상기 배터리모듈의 온도가 상승되도록 상기 제2열교환매체를 상기 제1열교환매체와 열교환시키는 가열유닛; 및 상기 사이클유닛으로부터 분기되고, 상기 배터리모듈의 온도가 하강되도록 상기 제2열교환매체를 상기 제1열교환매체와 열교환시키는 냉각유닛;을 포함한다.
또한, 상기 열관리유닛은, 상기 제1열교환매체가 순환 유동되는 제1순환부; 상기 제1순환부에 연결되고, 상기 제1열교환매체를 상기 배터리모듈과 열교환시키는 열관리부재; 상기 제1순환부와 연결되고, 상기 제1열교환매체를 상기 제2열교환매체와 열교환시키는 칠러부;를 포함한다.
또한, 상기 가열유닛은, 상기 압축기와 상기 응축기의 사이로부터 분기되고, 상기 압축기로부터 배출되는 상기 제2열교환매체를 상기 칠러부로 전달하는 가열전달부와; 상기 압축기와 상기 증발기의 사이로부터 분기되고, 상기 칠러부로부터 배출되는 상기 제2열교환매체를 상기 압축기로 전달하는 가열회수부; 및 상기 가열전달부 및 상기 가열회수부를 선택적으로 개폐하는 가열개폐부;를 포함한다.
또한, 상기 냉각유닛은, 상기 압축기와 상기 증발기의 사이로부터 분기되고, 상기 증발기로부터 배출되는 상기 제2열교환매체를 상기 칠러부로 전달하는 냉각전달부와; 상기 압축기와 상기 증발기의 사이로부터 분기되고, 상기 칠러부로부터 배출되는 상기 제2열교환매체를 상기 압축기로 전달하는 냉각회수부; 및 상기 냉각전달부 및 상기 냉각회수부를 선택적으로 개폐하는 냉각개폐부;를 포함한다.
또한, 상기 가열전달부와 상기 냉각전달부는 상호 연결된다.
또한, 상기 가열회수부와 상기 냉각회수부는 동일하다.
또한, 상기 배터리모듈의 온도를 감지하는 감지유닛; 및 상기 감지유닛으로부터 측정된 상기 배터리모듈의 온도 변화에 기반하여 열관리모드를 결정하고, 결정된 열관리모드에 따라 상기 가열유닛 및 상기 냉각유닛의 동작을 제어하는 제어유닛;을 더 포함한다.
또한, 상기 제어유닛은, 상기 감지유닛으로부터 감지된 상기 배터리모듈의 온도가 제1설정온도 미만인 경우, 상기 가열유닛을 동작시키고 상기 냉각유닛의 동작을 중지시키는 가열모드;를 실행한다.
또한, 상기 제어유닛은, 상기 감지유닛으로부터 감지된 상기 배터리모듈의 온도가 제2설정온도 이상인 경우, 상기 냉각유닛을 동작시키고 상기 가열유닛의 동작을 중지시키는 냉각모드;를 실행한다.
또한, 상기 제어유닛은, 상기 감지유닛으로부터 감지된 상기 배터리모듈의 온도가 상기 제1설정온도 이상 상기 제2설정온도 미만인 경우, 상기 가열유닛과 상기 냉각유닛의 동작을 모두 중지시키는 완충모드;를 실행한다.
본 발명에 따른 전기자동차용 배터리 열관리 시스템은 가열유닛 및 냉각유닛을 통한 열관리모드에 의해 배터리모듈의 온도를 최적 효율 구간에서 능동적으로 유지시킴에 따라 과열, 과냉으로 인한 배터리모듈의 성능 저하를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전기자동차용 배터리 열관리 시스템은 기존 배터리 냉각 시스템에서 차량 전방에 설치되는 라디에이터를 삭제할 수 있어 공간 활용성이 증대되고, 전체적인 시스템 구조를 단순화시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전기자동차용 배터리 열관리 시스템은 제어유닛이 가열모드와 냉각모드가 상호 전환되기 위한 온도에 일정한 간격을 부여함에 따라 가열모드와 냉각모드가 상호 전환되는 과정에서 가열유닛과 냉각유닛이 동시에 동작되며 배터리모듈의 온도가 의도하지 않은 방향으로 가변되는 것을 방지할 수 있고, 단일 온도를 경계로 가열유닛과 냉각유닛이 반복적으로 동작 또는 중지되며 부품의 내구성이 저하되거나 또는 에너지의 불필요하게 소모하는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 배터리 열관리 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 배터리 열관리 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어유닛에 의한 열관리모드의 작동 과정을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가열모드의 동작 상태를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각모드의 동작 상태를 개략적으로 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 전기자동차용 배터리 열관리 시스템의 실시예를 설명한다.
이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(또는 접속)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결(또는 접속)"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결(또는 접속)"되어 있는 경우도 포함한다. 본 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함(또는 구비)"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 "포함(또는 구비)"할 수 있다는 것을 의미한다.
또한, 본 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지칭할 수 있다. 동일한 참조 부호 또는 유사한 참조 부호들은 특정 도면에서 언급 또는 설명되지 않았더라도, 그 부호들은 다른 도면을 토대로 설명될 수 있다. 또한, 특정 도면에 참조 부호가 표시되지 않은 부분이 있더라도, 그 부분은 다른 도면들을 토대로 설명될 수 있다. 또한, 본 출원의 도면들에 포함된 세부 구성요소들의 개수, 형상, 크기 및 크기의 상대적인 차이 등은 이해의 편의를 위해 설정된 것으로서, 실시예들을 제한하지 않으며 다양한 형태로 구현될 수 있다.
배터리모듈(10)은 전기자동차의 모터 구동을 위한 동력을 제공하는 구성으로서, 배터리케이스(미도시) 및 배터리케이스내에 장착된 다수개의 단위배터리(미도시)를 포함하여 구성될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 배터리 열관리 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 배터리 열관리 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1, 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 배터리 열관리 시스템은 열관리유닛(100), 사이클유닛(300), 가열유닛(500), 냉각유닛(700), 감지유닛(800), 제어유닛(900)을 포함한다.
열관리유닛(100)은 제1열교환매체(A)가 순환되며 배터리모듈(10)과 열교환한다. 즉, 열관리유닛(100)은 제1열교환매체(A)와 배터리모듈(10)간의 열교환 작용에 의해 배터리모듈(10)의 온도를 조절하는 기능을 수행한다.
여기서 제1열교환매체(A)는 열교환 작용에 의해 열에너지를 운반할 수 있는 다양한 종류의 냉각수, 액체 냉매, 기체 냉매 등으로 예시될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열관리유닛(100)은 제1순환부(110), 열관리부재(120), 칠러부(130)를 포함한다.
제1순환부(110)는 열관리유닛(100)을 순환하는 제1열교환매체(A)의 유동을 안내한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제1순환부(110)는 내부를 통해 제1열교환매체(A)가 유동될 수 있는 관의 형태를 갖도록 형성된다. 제1순환부(110)는 연장 방향을 따라 제1열교환매체(A)가 순환 유동될 수 있도록 후술하는 열관리부재(120) 및 칠러부(130)와 함께 폐유로를 형성한다. 제1순환부(110)의 구체적인 길이, 배열 등은 차량의 구조, 열관리부재(120) 및 칠러부(130)의 설치 위치 등에 따라 다양하게 설계 변경이 가능하다.
제1순환부(110)에는 제1열교환매체(A)가 제1순환부(110)를 따라 원활하게 유동될 수 있도록 제1열교환매체(A)에 유동력을 제공하는 제1순환펌프(111)가 설치될 수 있다.
열관리부재(120)는 제1순환부(110)에 연결되고, 제1열교환매체(A)를 배터리모듈(10)과 열교환시킨다. 본 발명의 일 실시예에 따른 열관리부재(120)는 배터리모듈(10)과 마주보게 설치되어 배터리모듈(10)의 열관리를 수행하는 다양한 종류의 냉각 플레이트로 예시될 수 있다. 열관리부재(120)의 내부에는 제1순환부(110)로부터 유입된 제1열교환매체(A)를 열관리부재(120)의 면적 전체를 순환시키며 배터리모듈(10)과의 열교환 작용을 유도하는 열관리유로(121)이 형성된다. 열관리유로(121)은 양측이 각각 제1순환부(110)와 연결된다. 열관리유로(121)은 일측을 통해 제1순환부(110)로부터 후술하는 칠러부(130)로부터 배출되는 제1열교환매체(A)를 내부로 전달받는다. 열관리유로(121)는 타측을 통해 배터리모듈(10)과의 열교환이 완료된 제1열교환매체(A)를 제1순환부(110)로 다시 전달한다.
칠러부(130)는 열관리부재(120)와 이격되게 배치되고, 제1순환부(110)와 연결된다. 칠러부(130)는 제1순환부(110)로부터 전달받은 제1열교환매체(A)와, 후술하는 가열유닛(500) 또는 냉각유닛(700)을 따라 유동되는 제2열교환매체(B)를 열교환시켜 열관리부재(120)로 전달되는 제1열교환매체(A)를 가열하거나 냉각시키는 기능을 수행한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 칠러부(130)는 내부에 서로 독립된 제1칠러유로(131) 및 제2칠러유로(132)가 형성된 다양한 종류의 열교환기로 예시될 수 있다. 제1칠러유로(131)는 양단부가 제1순환부(110)와 연결되어 제1순환부(110)를 유동하는 제1열교환매체(A)를 칠러부(130)의 내부로 유입시키고, 칠러부(130)로부터 배출되는 제1열교환매체(A)를 제1순환부(110)로 다시 전달한다. 제2칠러유로(132)는 양단부가 후술하는 가열유닛(500) 및 냉각유닛(700)과 연결되어 가열유닛(500) 및 냉각유닛(700)을 유동하는 제2열교환매체(B)를 칠러부(130)의 내부로 유입시키고, 칠러부(130)로부터 배출되는 제2열교환매체(B)를 가열유닛(500) 및 냉각유닛(700)으로 다시 전달한다. 제1칠러유로(131)와 제2칠러유로(132)는 서로 인접하게 배치되어 내부를 유동하는 제1열교환매체(A)와 제2열교환매체(B)간의 열교환 작용을 유도한다.
사이클유닛(300)은 제2열교환매체(B)가 순환 유동되는 제2순환부(310)와, 제2순환부(310)를 유동하는 제2열교환매체(B)를 고온, 고압의 기체 상태로 압축하는 압축기(320), 외부로 열을 방출하여 압축된 제2열교환매체(B)를 액체 상태로 응축시키는 응축기(330), 응축기(330)에서 응축된 제2열교환매체(B)를 저온, 저압의 액체 상태로 팽창시키는 팽창밸브(340) 및 외부로부터 열을 흡수하여 팽창밸브(340)에서 팽창된 제2열교환매체(B)를 기체 상태로 증발시키는 증발기(350)를 포함하여 구성된다. 또한, 압축기(320)와 증발기(350)의 사이에는 기체 상태의 제2열교환매체(B)만을 압축기(320)로 전달하는 어큐뮬레이터(360)가 설치되고, 응축기(330)와 팽창밸브(340)의 사이에는 액체 상태의 제2열교환매체(B)만을 팽창밸브(340)로 전달하는 리시버 드라이어(370)가 설치될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 사이클유닛(300)은 차량에 설치되는 공조 장치, 전장부품의 냉각 장치 등으로 예시될 수 있다. 여기서, 제2열교환매체(B)는 열교환 작용에 의해 열에너지를 운반할 수 있는 다양한 종류의 냉각수, 액체 냉매, 기체 냉매 등으로 예시될 수 있다.
가열유닛(500)은 사이클유닛(300)으로부터 분기되고, 압축기(320)로부터 배출된 고온, 고압 상태의 제2열교환매체(B)를 제1열교환매체(A)와 열교환시켜 배터리모듈(10)의 온도를 상승시키는 구성으로서 기능한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가열유닛(500)은 가열전달부(510), 가열회수부(520), 가열개폐부(530)를 포함한다.
가열전달부(510)는 압축기(320)와 응축기(330)의 사이에 연결된 제2순환부(310)로부터 분기되고, 압축기(320)로부터 배출되는 고온, 고압 상태의 제2열교환매체(B)를 칠러부(130)로 전달한다. 즉, 가열전달부(510)는 압축기(320)로부터 배출되어 고온, 고압의 상태로 제2순환부(310)를 유동하는 제2열교환매체(B)의 흐름을 칠러부(130)로 우회시키는 구성으로서 기능한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가열전달부(510)는 일단이 압축기(320)와 응축기(330)의 사이에 연결된 제2순환부(310)와 연통되는 관의 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 가열전달부(510)는 타단이 증발기(350)와 어큐뮬레이터(360)의 사이에 연결된 제2순환부(310) 및 후술하는 냉각전달부(710)의 일단과 연통 된다. 즉, 가열전달부(510)는 냉각전달부(710)와 상호 연결되어 제2열교환매체(B)를 칠러부(130)로 전달하기 위한 경로의 일부를 냉각전달부(710)와 공유한다. 이에 따라 가열전달부(510)는 제2열교환매체(B)를 칠러부(130)로 전달하기 위한 배관의 개수를 감소시킬 수 있고, 칠러부(130)의 구조를 단순화시킬 수 있다.
가열회수부(520)는 압축기(320)와 증발기(350)의 사이에 연결된 제2순환부(310)로부터 분기되고, 칠러부(130)로부터 배출되는 제2열교환매체(B)를 제2순환부(310)로 회수한다. 즉, 가열전달부(510)는 칠러부(130)에서 제1열교환매체(A)와 열교환이 완료된 제2열교환매체(B)를 제2순환부(310)로 회수하는 구성으로서 기능한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가열회수부(520)는 일단이 증발기(350)와 어큐뮬레이터(360)의 사이에 연결된 제2순환부(310)와 연통되는 관의 형태를 갖도록 형성될 있다. 이에 따라 가열회수부(520)는 칠러부(130)로부터 배출되는 제2열교환매체(B)를 압축기(320)로 다시 전달함에 따라 제1열교환매체(A)와의 열교환 작용에 의해 온도가 감소된 제2열교환매체(B)가 다시 고온, 고압의 상태로 복귀되도록 유도할 수 있다. 가열회수부(520)는 타단이 칠러부(130)에 구비되는 제2칠러유로(132)의 배출구와 연통된다.
가열개폐부(530)는 가열전달부(510) 및 가열회수부(520)를 선택적으로 개폐한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가열개폐부(530)는 가열전달개폐부(531), 가열회수개폐부(532)를 포함한다.
가열전달개폐부(531)는 가열전달부(510)를 선택적으로 개폐한다. 가열전달개폐부(531)는 가열전달부(510)의 일단 및 제2순환부(310)의 사이에 연결되어 가열전달부(510)와 제2순환부(310)의 연통 상태를 조절한다. 이 경우, 가열전달개폐부(531)는 3개의 유로에 대한 제2열교환매체(B)의 유동 방향을 조절할 수 있는 3개의 유로에 대한 유체의 유동 방향을 조절할 수 있는 3-way 밸브로 예시될 수 있다. 가열전달개폐부(531)는 후술하는 제어유닛(900)에 의해 동작이 제어되며 가열전달부(510)를 개방하거나 폐쇄할 수 있다.
가열회수개폐부(532)는 가열회수부(520)를 선택적으로 개폐한다. 가열회수개폐부(532)는 가열회수부(520)의 일단 및 제2순환부(310)의 사이에 연결되어 가열회수부(520)와 제2순환부(310)의 연통 상태를 조절한다. 이 경우, 가열회수개폐부(532)는 3개의 유로에 대한 유체의 유동 방향을 조절할 수 있는 3-way 밸브로 예시될 수 있다. 가열회수개폐부(532)는 후술하는 제어유닛(900)에 의해 동작이 제어되며 가열회수부(520)를 개방하거나 폐쇄할 수 있다.
냉각유닛(700)은 사이클유닛(300)으로부터 분기되고, 증발기(350)로부터 배출되는 저온, 저압 상태의 제2열교환매체(B)를 제1열교환매체(A)와 열교환시켜 배터리모듈(10)의 온도를 하강시키는 구성으로서 기능한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 냉각유닛(700)은 냉각전달부(710), 냉각회수부(720), 냉각개폐부(730)를 포함한다.
냉각전달부(710)는 압축기(320)와 증발기(350)의 사이에 연결된 제2순환부(310)로부터 분기되고, 증발기(350)로부터 배출되는 제2열교환매체(B)를 칠러부(130)로 전달한다. 즉, 냉각전달부(710)는 증발기(350)로부터 배출되어 저온, 저압의 상태로 제2순환부(310)를 유동하는 제2열교환매체(B)의 흐름을 칠러부(130)로 우회시키는 구성으로서 기능한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각전달부(710)는 일단이 증발기(350)와 어큐뮬레이터(360)의 사이에 연결된 제2순환부(310)와 연통되고, 타단이 제2칠러유로(132)의 유입구와 연통되는 관의 형태를 갖도록 형성될 수 있다.
냉각전달부(710)의 일단은 가열전달부(510)의 타단과도 연통된다. 이 경우, 냉각전달부(710)는 후술하는 냉각전달개폐부(731)의 동작에 의해 증발기(350)로부터 배출되는 제2열교환매체(B)를 칠러부(130)로 전달하는 통로의 역할을 수행함과 동시에 가열전달부(510)를 따라 유동되는 제2열교환매체(B)를 칠러부(130)로 전달하는 통로의 역할도 수행할 수 있다. 이에 따라 냉각전달부(710)는 제2열교환매체(B)를 칠러부(130)로 전달하기 위한 배관의 개수를 감소시킬 수 있고, 칠러부(130)의 구조를 단순화시킬 수 있다.
냉각회수부(720)는 압축기(320)와 증발기(350)의 사이에 연결된 제2순환부(310)로부터 분기되고, 칠러부(130)로부터 배출되는 제2열교환매체(B)를 제2순환부(310)로 회수한다. 즉, 가열전달부(510)는 칠러부(130)에서 제1열교환매체(A)와 열교환이 완료된 제2열교환매체(B)를 제2순환부(310)로 회수하는 구성으로서 기능한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각회수부(720)는 가열회수부(520)와 서로 동일한 구성으로 예시될 수 있다. 즉, 냉각회수부(720)와 가열회수부(520)는 제2열교환매체(B)의 유동 경로를 모두 공유하는 형태로 형성될 수 있다. 이에 따라 냉각회수부(720)와 가열회수부(520)는 제2열교환매체(B)를 제2순환부(310)로 회수하기 위한 배관의 개수를 감소시킬 수 있고, 칠러부(130)의 구조를 단순화시킬 수 있다. 이와 달리 냉각회수부(720)는 가열회수부(520)와 분리된 형태로 형성되는 것도 가능하다.
냉각개폐부(730)는 냉각전달부(710) 및 냉각회수부(720)를 선택적으로 개폐한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 냉각개폐부(730)는 냉각전달개폐부(731), 냉각회수개폐부(732)를 포함한다.
냉각전달개폐부(731)는 냉각전달부(710)를 선택적으로 개폐한다. 냉각전달개폐부(731)는 제2순환부(310), 가열전달부(510)의 타단 및 냉각전달부(710)의 일단이 서로 교차하는 지점에 연결되어 제2순환부(310), 가열전달부(510) 및 냉각전달부(710)간의 연통 상태를 조절한다. 이 경우, 냉각전달개폐부(731)는 4개의 유로에 대한 유체의 유동 방향을 조절할 수 있는 4-way 밸브로 예시될 수 있다. 냉각전달개폐부(731)는 후술하는 제어유닛(900)에 의해 동작이 제어될 수 있다.
냉각회수개폐부(732)는 냉각회수부(720)를 선택적으로 개폐한다. 냉각회수개폐부(732)는 냉각회수부(720)와 가열회수부(520)가 동일한 구성으로 예시됨에 따라, 가열회수개폐부(532)와 동일한 구성으로 예시될 수 있다.
감지유닛(800)은 배터리모듈(10)의 온도를 감지한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 감지유닛(800)은 배터리모듈(10)측에 설치되어 배터리모듈(10)의 온도를 감지할 수 있는 다양한 종류의 온도 센서로 예시될 수 있다.
제어유닛(900)은 감지유닛(800)으로부터 측정된 배터리모듈(10)의 온도 변화에 기반하여 열관리모드를 결정하고, 결정된 열관리모드에 따라 가열유닛(500) 및 냉각유닛(700)의 동작을 제어한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제어유닛(900)은 가열개폐부(530), 냉각개폐부(730)와 전기적으로 연결되어 이들의 동작을 제어하는 전자 제어 유닛(ECU: Electronic Control Unit), 중앙 처리 장치(CPU: Central Processing Unit), 프로세서(Processor) 또는 SoC(System on Chip)로 구현될 수 있으며, 운영 체제 또는 어플리케이션을 구동하여 복수의 하드웨어 또는 소프트웨어 구성요소들을 제어할 수 있고, 각종 데이터 처리 및 연산을 수행할 수 있다. 또한, 제어유닛(900)은 메모리에 저장된 적어도 하나의 명령을 실행시키고, 그 실행 결과 데이터를 메모리에 저장하도록 구성될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어유닛에 의한 열관리모드의 작동 과정을 상세하게 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어유닛에 의한 열관리모드의 작동 과정을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 3을 참조하면, 우선, 감지유닛(800)은 배터리모듈(10)의 온도를 감지한다(S100).
감지유닛(800)으로부터 감지된 배터리모듈(10)의 온도가 제1설정온도(T1) 미만인 경우(S200), 제어유닛(900)은 가열모드를 실행한다(S210). 여기서, 제1설정온도(T1)는 대략 35℃로 예시될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가열모드의 동작 상태를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 가열모드에서 제어유닛(900)은 가열유닛(500)을 동작시키고 냉각유닛(700)의 동작을 중지시킨다.
보다 구체적으로, 가열모드에서 제어유닛(900)은 가열전달개폐부(531)와 가열회수개폐부(532)를 동작시켜 가열전달부(510)와 가열회수부(520)의 양단을 개방하고, 가열전달부(510)와 가열회수부(520)의 일단을 제2순환부(310)와 연통시킨다.
한편, 가열전달부(510)와 냉각전달부(710)가 상호 연결됨에 따라, 제어유닛(900)은 냉각전달개폐부(731)를 동작시켜 가열전달부(510)의 타단과 냉각전달부(710)의 일단을 연통시킨다.
이후, 압축기(320)로부터 배출된 고온의 제2열교환매체(B)는 가열전달부(510)와 냉각전달부(710)를 순차적으로 거쳐 제2칠러유로(132)의 유입구를 통해 칠러부(130)의 내부로 전달된다. 이 경우, 칠러부(130)로 전달된 제2열교환매체(B)의 온도는 약 60℃ 내지 70℃의 온도를 가질 수 있다.
칠러부(130)로 전달된 고온의 제2열교환매체(B)는 칠러부(130)의 내부에서 제1칠러유로(131)를 따라 유동하는 제1열교환매체(A)와 열교환되며 제1열교환매체(A)의 온도를 상승시킨다. 이 경우, 대략 제1열교환매체(A)는 제2열교환매체(B)와의 열교환 작용에 의해 온도가 약 30℃ 내지 35℃로 상승될 수 있다.
온도가 상승되어 칠러부(130)로부터 배출되는 제1열교환매체(A)는 열관리유로(121)의 유입구 측을 통해 열관리부재(120)의 내부로 유입되고, 배터리모듈(10)과 열교환되며 배터리모듈(10)의 온도를 상승시킨다.
이와 동시에, 제어유닛(900)은 냉각전달개폐부(731)를 동작시켜 증발기(350) 및 어큐뮬레이터(360) 사이에 연결된 제2순환부(310)와, 냉각전달부(710)의 연통을 차단함으로써 증발기(350)로부터 배출되는 저온의 제2열교환매체(B)가 칠러부(130)로 유입되는 것을 차단한다. 이에 따라 가열모드에서 제1열교환매체(A)의 온도는 가열유닛(500)을 통해 전달되는 고온의 제2열교환매체(B)에 의해서만 결정될 수 있다.
한편, 가열회수부(520) 및 냉각회수부(720), 가열회수개폐부(532) 및 냉각회수개폐부(732)가 서로 동일한 구성으로 이루어지는 경우, 냉각회수부(720)는 개방된 상태로 유지될 수 있다.
이후, 감지유닛(800)으로부터 감지된 배터리모듈(10)의 온도가 제1설정온도(T1) 이상, 제2설정온도(T2) 미만인 경우(S300), 제어유닛(900)은 완충모드를 실행한다(S310). 여기서, 제2설정온도(T2)는 36℃로 예시될 수 있다.
제2완충모드에서 제어유닛(900)은 가열유닛(500)의 동작을 중지시킨다.
보다 구체적으로, 제어유닛(900)은 가열전달개폐부(531) 및 가열회수개폐부(532)를 동작시켜 가열전달부(510) 및 가열회수부(520)를 폐쇄한다.
이와 동시에 제어유닛(900)은 냉각전달개폐부(731)를 동작시켜 가열전달부(510) 및 냉각전달부(710)의 연통을 차단한다.
즉, 완충모드는 제어유닛(900)에 의한 열관리모드가 가열모드와 후술하는 냉각모드로 상호 전환되기 위한 온도에 일정한 간격을 부여하는 모드로서 기능한다.
이에 따라 제어유닛(900)은 가열모드와 냉각모드가 상호 전환되는 과정에서 가열유닛(500)과 냉각유닛(700)이 동시에 동작되며 배터리모듈(10)의 온도가 의도하지 않은 방향으로 가변되는 것을 방지할 수 있고, 단일 온도를 경계로 가열유닛(500)과 냉각유닛(700)이 반복적으로 동작 또는 중지되며 부품의 내구성이 저하되거나 또는 에너지의 불필요하게 소모하는 것을 방지할 수 있다.
이후, 감지유닛(800)으로부터 감지된 배터리모듈(10)의 온도가 제2설정온도(T2) 이상인 경우(S400), 제어유닛(900)은 냉각모드를 실행한다(S410).
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각모드의 동작 상태를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 냉각모드에서 제어유닛(900)은 냉각유닛(700)을 동작시키고 가열유닛(500)의 동작을 중지시킨다.
보다 구체적으로, 냉각모드에서 제어유닛(900)은 냉각전달개폐부(731)와 냉각회수개폐부(732)를 동작시켜 냉각전달부(710), 냉각회수부(720)를 제2순환부(310)와 연통시킨다.
한편, 가열전달부(510)와 냉각전달부(710)가 상호 연결됨에 따라, 제어유닛(900)은 냉각전달개폐부(731)를 동작시켜 가열전달부(510)의 타단과 냉각전달부(710)의 일단의 연통을 차단한다.
이후, 증발기(350)로부터 배출된 저온의 제2열교환매체(B)는 제2순환부(310)와 냉각전달부(710)를 순차적으로 거쳐 제2칠러유로(132)의 유입구를 통해 칠러부(130)의 내부로 전달된다. 이 경우, 칠러부(130)로 전달된 제2열교환매체(B)의 온도는 약 7℃ 내지 10℃의 온도를 가질 수 있다.
칠러부(130)로 전달된 저온의 제2열교환매체(B)는 칠러부(130)의 내부에서 제1칠러유로(131)를 따라 유동하는 제1열교환매체(A)와 열교환되며 제1열교환매체(A)의 온도를 하강시킨다. 이 경우, 대략 제1열교환매체(A)는 제2열교환매체(B)와의 열교환 작용에 의해 온도가 약 36℃ 이하로 하강될 수 있다.
온도가 하강되어 칠러부(130)로부터 배출되는 제1열교환매체(A)는 열관리유로(121)의 유입구 측을 통해 열관리부재(120)의 내부로 유입되고, 배터리모듈(10)과 열교환되며 배터리모듈(10)의 온도를 하강시킨다.
제어유닛(900)은 냉각전달개폐부(731)를 동작시켜 증발기(350) 및 어큐뮬레이터(360) 사이에 연결된 제2순환부(310)와 가열전달부(510)의 연통을 차단한다. 이에 따라 냉각모드에서 제1열교환매체(A)의 온도는 냉각유닛(700)을 통해 전달되는 저온의 제2열교환매체(B)에 의해서만 결정될 수 있다.
또한, 제어유닛(900)은 냉각전달개폐부(731)를 동작시켜 냉각전달개폐부(731)와 냉각회수개폐부(732)의 사이에 연결된 제2순환부(310)를 폐쇄함으로써 증발기(350)로부터 배출되는 저온의 제2열교환매체(B)가 칠러부(130)로 유입되지 않고, 압축기(320)로 곧바로 전달되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 가열회수부(520) 및 냉각회수부(720), 가열회수개폐부(532) 및 냉각회수개폐부(732)가 서로 동일한 구성으로 이루어지는 경우, 가열회수부(520)는 개방된 상태로 유지될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10 : 배터리모듈 100 : 열관리유닛
110 : 제1순환부 111 : 제1순환펌프
120 : 열관리부재 121 : 열관리유로
130 : 칠러부 131 : 제1칠러유로
132 : 제2칠러유로 300 : 사이클유닛
310 : 제3순환부 320 : 압축기
330 : 응축기 340 : 팽창밸브
350 : 증발기 360 : 어큐뮬레이터
370 : 리시버 드라이어 500 : 가열유닛
510 : 가열전달부 520 : 가열회수부
530 : 가열개폐부 531 : 가열전달개폐부
532 : 가열회수개폐부 700 : 냉각유닛
710 : 냉각전달부 720 : 냉각회수부
730 : 냉각개폐부 731 : 냉각전달개폐부
732 : 냉각회수개폐부 800 : 감지유닛
900 : 제어유닛

Claims (10)

  1. 제1열교환매체가 순환되며 배터리모듈과 열교환하는 열관리유닛;
    압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기를 구비하여 제2열교환매체가 순환되는 사이클유닛;
    상기 사이클유닛으로부터 분기되고, 상기 배터리모듈의 온도가 상승되도록 상기 제2열교환매체를 상기 제1열교환매체와 열교환시키는 가열유닛; 및
    상기 사이클유닛으로부터 분기되고, 상기 배터리모듈의 온도가 하강되도록 상기 제2열교환매체를 상기 제1열교환매체와 열교환시키는 냉각유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 배터리 열관리 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 열관리유닛은,
    상기 제1열교환매체가 순환 유동되는 제1순환부;
    상기 제1순환부에 연결되고, 상기 제1열교환매체를 상기 배터리모듈과 열교환시키는 열관리부재;
    상기 제1순환부와 연결되고, 상기 제1열교환매체를 상기 제2열교환매체와 열교환시키는 칠러부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 배터리 열관리 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 가열유닛은,
    상기 압축기와 상기 응축기의 사이로부터 분기되고, 상기 압축기로부터 배출되는 상기 제2열교환매체를 상기 칠러부로 전달하는 가열전달부;
    상기 압축기와 상기 증발기의 사이로부터 분기되고, 상기 칠러부로부터 배출되는 상기 제2열교환매체를 상기 압축기로 전달하는 가열회수부; 및
    상기 가열전달부 및 상기 가열회수부를 선택적으로 개폐하는 가열개폐부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 배터리 열관리 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 냉각유닛은,
    상기 압축기와 상기 증발기의 사이로부터 분기되고, 상기 증발기로부터 배출되는 상기 제2열교환매체를 상기 칠러부로 전달하는 냉각전달부;
    상기 압축기와 상기 증발기의 사이로부터 분기되고, 상기 칠러부로부터 배출되는 상기 제2열교환매체를 상기 압축기로 전달하는 냉각회수부; 및
    상기 냉각전달부 및 상기 냉각회수부를 선택적으로 개폐하는 냉각개폐부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 배터리 열관리 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 가열전달부와 상기 냉각전달부는 상호 연결되는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 배터리 열관리 시스템.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 가열회수부와 상기 냉각회수부는 동일한 것을 특징으로 하는 전기자동차용 배터리 열관리 시스템.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 배터리모듈의 온도를 감지하는 감지유닛; 및
    상기 감지유닛으로부터 측정된 상기 배터리모듈의 온도 변화에 기반하여 열관리모드를 결정하고, 결정된 열관리모드에 따라 상기 가열유닛 및 상기 냉각유닛의 동작을 제어하는 제어유닛;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 배터리 열관리 시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제어유닛은, 상기 감지유닛으로부터 감지된 상기 배터리모듈의 온도가 제1설정온도 미만인 경우, 상기 가열유닛을 동작시키고 상기 냉각유닛의 동작을 중지시키는 가열모드;를 실행하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 배터리 열관리 시스템.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제어유닛은, 상기 감지유닛으로부터 감지된 상기 배터리모듈의 온도가 제2설정온도 이상인 경우, 상기 냉각유닛을 동작시키고 상기 가열유닛의 동작을 중지시키는 냉각모드;를 실행하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 배터리 열관리 시스템.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 제어유닛은, 상기 감지유닛으로부터 감지된 상기 배터리모듈의 온도가 상기 제1설정온도 이상 상기 제2설정온도 미만인 경우, 상기 가열유닛과 상기 냉각유닛의 동작을 모두 중지시키는 완충모드;를 실행하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 배터리 열관리 시스템.


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