WO2016182199A1 - 하이브리드 차량용 배터리 프리 히팅장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

하이브리드 차량용 배터리 프리 히팅장치 및 그 제어 방법 Download PDF

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WO2016182199A1
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hybrid vehicle
heating
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김윤진
조진우
신권우
박지선
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주식회사 대화알로이테크
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Definitions

  • the present invention relates to a battery preheating apparatus for a hybrid vehicle and a control method thereof.
  • the hybrid vehicle refers to a future vehicle that can adopt a motor driving source as an auxiliary power source as well as an engine to reduce exhaust gas and improve fuel efficiency.
  • the engine 100, the motor 200, the automatic transmission 300 is directly connected on one axis, the engine 100 and the motor
  • the clutches 400 are arranged between the 200, and as a configuration for their operation, the high voltage battery 500 is connected to the motor 200 through the inverter 600 so as to be charged and discharged.
  • EV electric vehicle
  • HEV hybrid electric vehicle
  • RB Regenerative braking
  • the battery is configured as a battery pack, which is a unit. As shown in FIG. 7, the width of the main driving region of the battery pack is quite narrow, but the actual driving must be performed.
  • the battery pack temperature in a region has a characteristic that is difficult to control constantly.
  • a motor, an inverter, a battery, etc. are cooled by a water cooling or air cooling system for the purpose of preventing high temperature.
  • the motor is cooled in the form of water cooling
  • the inverter is cooled in the form of air cooling or water cooling.
  • the battery is mainly cooled by an air cooling type cooling system.
  • the BCM BATTERY CONTROL MODULE
  • COOL'G FAN air temperature cooling fan
  • the biggest problem is that the operation in the low temperature region occurs, the battery has a reduced capacity in the low temperature region, the chloride of the electrolyte according to the amount of use, which is a factor that reduces the life, As a result, battery life, which accounts for the largest portion of the material cost in a hybrid vehicle, is reduced.
  • FIG. 5 and FIG. 6 attached to a conventional battery pack internal structure and operation thereof are as follows.
  • a circuit structure of a conventional battery pack is largely divided into a battery 10, a safety plug 18, and a power relay assembly 20 (PRA).
  • PRA power relay assembly 20
  • each battery cell 12 is connected by a safety plug 18, the first main relay 21 of the power relay assembly 20 is connected to the positive side of the battery 10 at the same time the battery ( 10, the current sensor 23 and the second main relay 22 are connected to the cathode side, and the precharge relay 24 is connected to the output terminal of the current sensor 23.
  • first and second main relays 21 and 22 and the precharge relay 24 are controlled on / off by the BMS 40 which is a battery controller.
  • the battery 10 temperature is a temperature at which hybrid mode operation (engine + motor assist driving mode according to battery charge / discharge operation) is possible, and each relay ( 21 and 22 are excited to charge or discharge the battery 10.
  • the battery pack is mounted on the roof (ROOF) side, so that the heat loss of the battery is severe due to the inflow of engine coolant or heating air through the indoor ducts and piping formed in the roof. Is generated.
  • ROOF roof
  • Another object of the present invention is to provide a hybrid vehicle battery preheating apparatus and a control method thereof, which can improve fuel economy by normalizing hybrid mode operation in a short time.
  • a hybrid vehicle battery pre-heating apparatus is a battery consisting of a plurality of battery cells, for charging and discharging the battery is connected to the positive side of the battery
  • a power relay assembly including a first main relay, a second main relay connected to a negative electrode side of the battery, and at least one planar heating element formed through a heating paste composition, and an output end of the first main relay;
  • a preheater connected to an output terminal of the second main relay to preheat the battery to a predetermined temperature by using the generated power according to regenerative braking, wherein the heating paste composition comprises carbon nano based on 100 parts by weight of the heating paste composition.
  • the mixed binder is epoxy acrylate, polyvinyl acetal, and a phenol-based resin mixed or hexamethylene diisocyanate, poly It is characterized by mixing vinyl acetal and phenolic resin.
  • the relay may further include a preheating relay connected between the output terminal of the first main relay and the preheater and subjected to on / off control by the BMS.
  • the preheater may be a heating core installed on a bottom surface of a battery case surrounding a plurality of battery cells to heat a cooling fluid in a flow path formed in a side portion of the battery case.
  • the mixed binder may be mixed with 10 to 150 parts by weight of polyvinyl acetal resin, 100 to 500 parts by weight of phenolic resin based on 100 parts by weight of epoxy acrylate or hexamethylene diisocyanate.
  • 0.5 to 5 parts by weight of the silane coupling agent may be further included based on 100 parts by weight of the heating paste composition.
  • the carbon nanotube particles may be multi-walled carbon nanotube particles.
  • the organic solvent is carbitol acetate, butyl carbitol acetate, DBE (dibasic ester), ethyl carbitol, ethyl carbitol acetate, dipropylene glycol methyl ether, cellosolve acetate, butyl cellosolve acetate, butanol And two or more mixed solvents selected from octanol.
  • the planar heating element may be formed by screen printing, gravure printing, or comma coating the heating paste composition on a substrate.
  • the substrate may be a polyimide substrate, glass fiber mat or ceramic glass.
  • the planar heating element may be coated on an upper surface of the planar heating element, and may further include a protective layer formed of an organic material including a black pigment such as silica or carbon shock.
  • the apparatus may further include a power supply unit configured to supply power to the planar heating element.
  • a method of controlling a battery preheating device for a hybrid vehicle is to determine whether the temperature of the battery is a hybrid operating range, the temperature of the battery is a hybrid operation If the temperature is lower than the possible range, exciting the preheating relay connected between the first main relay of the power relay assembly and the preheater, which is one of the circuit configurations in the battery pack, and generating power of the motor due to regenerative braking of the hybrid vehicle.
  • the heating paste composition is 3 to 6 parts by weight of carbon nanotube particles, 0.5 to 30 parts by weight of carbon nanoparticles, 10 to 30 parts by weight of a mixed binder, organic solvent 29 to 83 with respect to 100 parts by weight of the heating paste composition It includes by weight, 0.5 to 5 parts by weight of the dispersant, the mixed binder is characterized in that the epoxy acrylate, polyvinyl acetal and phenolic resin is mixed or hexamethylene diisocyanate, polyvinyl acetal and phenolic resin is mixed. .
  • a battery temperature management method in a low temperature state may be proposed.
  • it has a high heat resistance may have a small resistance change according to the temperature
  • low specific resistance may include a heat paste composition capable of driving at low voltage and low power.
  • FIG. 1 is a circuit diagram illustrating a battery preheating apparatus for a hybrid vehicle according to the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating a control operation of the hybrid vehicle battery preheating apparatus according to the present invention.
  • FIG. 3 is a circuit diagram illustrating the operation of the battery-free heating device for a hybrid vehicle according to the present invention by regenerative braking.
  • FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a preheater structure of a battery preheating apparatus for a hybrid vehicle according to the present invention.
  • FIG. 5 is a circuit diagram illustrating a conventional battery pack.
  • FIG. 6 is a flowchart of charge and discharge according to a circuit configuration of a conventional battery pack.
  • FIG. 7 is a graph illustrating driving characteristics according to battery temperature of a hybrid vehicle.
  • FIG. 8 is a schematic diagram illustrating an example of a configuration for power transmission of a hybrid vehicle and a driving mode thereof.
  • FIG. 9 is an image of a specimen of a planar heating element using a heating paste composition included in a hybrid vehicle battery preheating apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is an image of a heat generation stability test of a planar heating element manufactured according to an embodiment and a comparative example of a hybrid vehicle battery preheating apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the battery control module stops hybrid mode operation to prevent battery charging and discharging. It is controlled until the temperature of the battery rises to the operating range, which is the engine assist in addition to the engine power can not operate, that is, the hybrid mode of operation can be a factor that inhibits fuel economy.
  • the hybrid mode operation is not performed, it is difficult to use the regenerative braking force by the motor, and the brake performance may also be reduced.
  • energy (power) generated by using the regenerative braking force in a low temperature state of the battery may be reduced. Charging the battery creates an environment that reduces battery life.
  • the present invention installs a preheater in the battery pack, and operates the preheater using the power generated by regenerative braking of the hybrid vehicle, thereby rapidly increasing the temperature of the battery pack while preheating the hybrid mode of operation.
  • the main focus is on getting things up and running quickly.
  • FIG. 1 is a circuit diagram illustrating a battery preheating apparatus for a hybrid vehicle according to the present invention.
  • the battery 10 the safety plug 18, and the power relay assembly 20 (PRA: Power Relay Assembly) are largely divided into each battery.
  • the cells 12 are connected by the safety plug 18, and the first main relay 21 of the power relay assembly 20 is connected to the positive side of the battery 10 and at the negative side of the battery 10.
  • the current sensor 23 and the second main relay 22 are connected, and the precharge relay 24 is connected to the output terminal of the current sensor 23.
  • the power relay assembly 20 is a configuration for charging and discharging the battery 10, the first main relay 21 connected to the positive electrode side of the battery 10, and the negative electrode of the battery 10.
  • the second main relay 22 is connected to the side, the battery 10 by using the generated power according to the regenerative braking between the output terminal of the first main relay 21 and the output terminal of the second main relay 22.
  • Preheater 30 for preheating the temperature to a predetermined temperature is connected by wiring.
  • a preheating relay 32 is connected between the output terminal of the first main relay 21 and the preheater 30 to control the operation of the preheater 30 while being controlled on / off by the BMS 40. do.
  • the first and second main relays 21 and 22, the precharge relay 24, and the preheating relay 32 are controlled on / off by the BMS 40, which is a battery controller.
  • the pre-heater 30 is a heating core that is operated by the generated power of the motor according to the regenerative braking of the hybrid vehicle in the low temperature state of the battery, as shown in Figure 4 attached to a plurality of battery cells 12 It is installed on the bottom surface of the battery case 14 to wrap.
  • the preheater 30 may include at least one planar heating element.
  • the planar heating element included in the preheater 30 may be formed by screen printing, gravure printing, or comma coating the heating paste composition on a substrate.
  • the heat generating paste composition for forming the planar heating element and the planar heating element included in the preheater 30 will be described in more detail later.
  • the preheater 30 that is, the heating core is operated by the generated power of the motor according to regenerative braking
  • the cooling fluid in the flow path 16 formed in the side portion of the battery case 14 is heated. Heated heat is transferred into the battery case to heat the battery cells.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating a control operation of the hybrid vehicle battery preheating apparatus according to the present invention
  • FIG. 3 is a circuit diagram illustrating the operation of the hybrid vehicle battery preheating apparatus according to the present invention by regenerative braking. to be.
  • the first main relay 21 of the power relay assembly 20 and the first main relay 21 of the power relay assembly 20 as described above are controlled by the control signal of the BMS 40.
  • the preheating relay 32 connected between the preheaters 30 is excited on.
  • the first and second main relays 21 and 22 are excited to be turned on, thereby charging and discharging the battery normally.
  • the preheater 40 When the preheating relay 32 is excited on, the preheater 40 is in a state capable of energizing the motor (MG: Motor & Generator).
  • the preheater 30 may include at least one planar heating element.
  • the planar heating element included in the preheater 30 may be formed by screen printing, gravure printing, or comma coating the heating paste composition on a substrate.
  • the heat generating paste composition forming the planar heating element and planar heating element included in the preheater 30 will be described in more detail later.
  • the preheater 30 installed on the bottom surface of the battery case 14, that is, the heating core starts a heating operation to heat the cooling fluid in the flow path 16 formed in the side surface of the battery case 14, This heated heat causes the battery cells in the battery case to heat up.
  • the heating operation of the preheater 30 thus heats each battery cell 12 in the battery pack to a predetermined temperature, preferably to a battery temperature at which hybrid mode operation is possible.
  • the low-temperature battery is quickly heated to a temperature at which hybrid mode operation is possible, thereby allowing the hybrid mode operation to operate normally in a short time.
  • exothermic paste composition for forming a thick film according to an embodiment of the present invention includes carbon nanotube particles, carbon nanoparticles, a mixed binder, an organic solvent and a dispersant.
  • the carbon nanotube particles may be selected from single-walled carbon nanotubes, double-walled carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes, or mixtures thereof.
  • the carbon nanotube particles may be multi wall carbon nanotubes.
  • the diameter may be 5 nm to 30 nm, and the length may be 3 ⁇ m to 40 ⁇ m.
  • the carbon nanoparticles may be, for example, graphite nanoparticles, and the diameter may be 1 ⁇ m to 25 ⁇ m.
  • the mixed binder serves to make the exothermic paste composition have heat resistance even in the temperature range of about 300 ° C., and includes epoxy acrylate or hexamethylene diisocyanate, polyvinyl acetal, and the like.
  • Phenolic resin has a mixed form.
  • the mixed binder may be a mixture of epoxy acrylate, polyvinyl acetal, and phenolic resin, or may be a mixture of hexamethylene diisocyanate, polyvinyl acetal, and phenolic resin.
  • by increasing the heat resistance of the mixed binder even if the heat generated at a high temperature of about 300 °C has the advantage that there is no change in resistance of the material or breakage of the coating film.
  • the phenolic resin means a phenolic compound including phenol and phenol derivatives.
  • the phenol derivative may include p-cresol, o-Guaiacol, Creosol, catechol, 3-methoxy-1,2-benzenediol (3 -methoxy-1,2-Benzenediol), Homocatechol, Vinylguaiacol, Syringol, Iso-eugenol, Methoxyeugenol, o O-Cresol, 3-methyl-1,2-benzenediol, (z) -2-methoxy-4- (1-propenyl) -phenol ( (z) -2-methoxy-4- (1-propenyl) -Phenol), 2, .6-diethoxy-4- (2-propenyl) -phenol (2,6-dimethoxy-4- (2-propenyl) ) -Phenol), 3,4-dimethoxy-Phenol, 4-ethyl-1,3-benzened
  • the mixing ratio of the mixed binder may be a ratio of 10 to 150 parts by weight of polyvinyl acetal resin and 100 to 500 parts by weight of phenolic resin based on 100 parts by weight of epoxy acrylate or hexamethylene diisocyanate. If the content of the phenolic resin is 100 parts by weight or less, the heat resistance characteristics of the heat-paste composition is lowered, and if it exceeds 500 parts by weight, there is a problem that the flexibility is lowered (brittleness increase).
  • the organic solvent is used to disperse the conductive particles and the mixed binder, carbitol acetate, butyl carbotol acetate, dibasic ester, ethyl carbitol, ethyl carbitol acetate, dipropylene It may be a mixed solvent of two or more selected from glycol methyl ether, cellosolve acetate, butyl cellosolve acetate, butanol and octanol.
  • the dispersion process can be applied to a variety of commonly used methods, for example through the ultra-sonication (Roll mill), bead mill (Bead mill) or ball mill (Ball mill) process Can be done.
  • Roll mill ultra-sonication
  • Bead mill bead mill
  • Ball mill ball mill
  • the dispersant is to make the dispersion more smoothly, and a conventional dispersant used in the art such as BYK, an amphoteric surfactant such as Triton X-100, SDS and the like and a ionic surfactant may be used.
  • a conventional dispersant used in the art such as BYK
  • an amphoteric surfactant such as Triton X-100, SDS and the like
  • a ionic surfactant may be used.
  • the heating paste composition according to an embodiment of the present invention may further include 0.5 to 5 parts by weight of the silane coupling agent based on 100 parts by weight of the heating paste composition.
  • the silane coupling agent functions as an adhesion promoter to promote adhesion between the resins in the formulation of the exothermic paste composition.
  • the silane coupling agent may be an epoxy containing silane or a merceto containing silane.
  • Examples of such silane coupling agents include epoxy and include 2- (3,4 epoxy cyclohexyl) -ethyltrimethoxysilane, 3-glycidoxytrimethoxysilane, 3-glycidoxypropyltriethoxysilane, 3-glycidoxypropyltriethoxysilane, containing amine groups, N-2 (aminoethyl) 3-amitopropylmethyldimethoxysilane, N-2 (aminoethyl) 3-aminopropyltrimethoxysilane , N-2 (aminoethyl) 3-aminopropyltrimethoxysilane, 3-aminopropyltriethoxysilane, 3-aminopropy
  • the present invention further provides a planar heating element which is formed by screen-printing, gravure printing (or roll-to-roll gravure printing) or comma coating (or roll-to-roll comma coating) on a substrate of the heating paste composition according to the embodiments of the present invention described above. .
  • the substrate is polycarbonate, polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polyimide, cellulose ester, nylon, polypropylene, polyacrylolintril, polysulfone, polyester sulfone, polyvinylidene fluoride , Glass, glass fiber (matte), ceramic, SUS, copper or aluminum substrate, etc. may be used, but is not limited to those listed above.
  • the substrate may be appropriately selected depending on the application field of the heating element or the use temperature.
  • the planar heating element prints the heating paste composition according to the embodiments of the present invention on the substrate in a desired pattern through screen printing or gravure printing, and after drying and curing, printing and drying / curing the silver paste or the conductive paste on the top.
  • the heat generating paste composition according to the embodiments of the present invention may be formed by screen printing or gravure printing.
  • the surface heating element may further include a protective layer coated on the upper surface.
  • the protective layer may be formed of silica (SiO2).
  • SiO2 silica
  • the heating element has an advantage of maintaining flexibility even if coated on the heating surface.
  • test examples are only examples for explaining the present invention, and the present invention is not limited by the following test examples.
  • Example 1 Example 2 Example 3 Comparative Example 1 Comparative Example 2 Comparative Example 3 CNT particles 4 5 6 4 5 6 CNP Particles 8 9 15 - - - Mixed binder 20 15 22 - - - Ethyl cellulose - - - 10 12 14 Organic solvent 63 67 52 82 79 76 Dispersant (BYK) 5 4 5 4 4 4 4
  • CNT particles and CNP particles (Examples 1 to 3) were added to a carbitol acetate solvent according to the composition of [Table 1], and BYK dispersant was added, and then dispersion A was prepared by sonication for 60 minutes. It was. Thereafter, a mixed binder was added to the carbitol acetate solvent and then a master batch was prepared through mechanical stirring. Next, the dispersion A and the masterbatch were first kneaded through mechanical stirring, followed by a second kneading process through a 3-roll-mill process to prepare an exothermic paste composition.
  • CNT particles were added to the carbitol acetate solvent according to the composition of [Table 1], BYK dispersant was added, and a dispersion was prepared by sonication for 60 minutes. Thereafter, ethyl cellulose was added to the carbitol acetate solvent to prepare a master batch through mechanical stirring. Next, the dispersion B and the masterbatch were first kneaded through mechanical stirring, followed by a second kneading process through a 3-roll mill to prepare an exothermic paste composition.
  • 9 is an image of a planar heating element specimen prepared using the heating paste composition according to the present invention.
  • 9A is a planar heating element formed by screen-printing a heating paste composition on a polyimide substrate.
  • 9B is a planar heating element formed by screen printing a heating paste composition on a glass fiber mat.
  • 9C and 9D are images when the protective layer is coated on the planar heating element of FIG. 9A (FIG. 9C is a black protective layer coating, and FIG. 9D is a green protective layer coating).
  • planar heating element sample Example
  • planar heating element samples prepared according to the comparative example as shown in FIG. 9A were measured (the applied voltage / current is shown in [Table 2]).
  • the planar heating element corresponding to the above embodiments and comparative examples was heated up to 40 ° C, 100 ° C and 200 ° C, respectively, and the DC voltage when the temperature was reached and The current was measured.
  • Figure 10 shows the image of the heat stability test appearance of the planar heating element samples prepared according to the Examples and Comparative Examples, the test results are summarized in the following [Table 2].
  • Example 1 Example 2 Example 3 Comparative Example 1 Comparative Example 2 Comparative Example 3 Specific resistance ( ⁇ 10 ⁇ 2 ⁇ cm 1.9 2.55 2.96 9.73 8.52 6.23 40 °C reach DC drive voltage / current 5V / 0.2A 6V / 0.2A 7V / 0.2A 20V / 0.3A 16V / 0.2A 12V / 0.2A 100 °C reach DC driving voltage / current 9V / 0.5A 12V / 0.4A 14 V / 0.5 A 48V / 0.7A 40V / 0.7A 26V / 0.6A 200 °C reach DC drive voltage / current 20V / 0.6A 24V / 0.7A 24V / 1.0A - - - Heat stability (day) 20 days or more 20 days or more 20 days or more Bad Bad Bad Bad
  • the specific resistance was measured to be smaller than the planar heating element corresponding to the embodiments than the planar heating element corresponding to the comparative examples, accordingly driving voltage / current required to reach each temperature also corresponds to the embodiments
  • the planar heating element was measured smaller than the planar heating element corresponding to the comparative examples. That is, it was confirmed that the planar heating elements corresponding to the embodiments can be driven at a lower voltage and lower power than the comparative example.
  • planar heating elements according to Examples 1 to 3 the stability was maintained for 20 days even under the heating operation of 200 ° C. (no separate protective layer). Poor phenomena were observed to swell the surface of the heating portion within time. That is, it was confirmed that the planar heating element corresponding to the embodiments can be stably driven even at a high temperature of 200 ° C. or more than the comparative example.
  • the present invention further provides a portable heating heater including the planar heating element and a power supply unit for supplying power to the planar heating element.
  • the power supply unit may include a lead electrode coated on the left and right sides of the planar heating element and a power connection electrode attached to the lead electrode.
  • the power connection electrode may be directly connected to the planar heating element.
  • the lead electrode or the electrode for power connection may be formed using silver paste, copper paste, copper tape, or the like.
  • the portable heating heater according to the present invention has a form in which the planar heating element is attached, embedded or mounted on the inner or outer surface of the body, and has a power supply for driving the planar heating element.
  • the portable heating heater may be used for an inner seat for a baby carriage, a heating sock, a heating shoe, a heating hat, a portable heating mat, a portable cooking utensil, a vehicle heating sheet, and the like.
  • planar heating element employed in the portable heating heater according to the present invention can be driven as a secondary battery capable of charging and discharging, such as a lithium ion battery, a lithium polymer battery because it can be driven at a low voltage and low power as described above, The portability is enhanced and the use time can be greatly increased.
  • the hybrid vehicle battery preheating apparatus and a control method thereof propose a battery temperature management method in a low temperature state in order to maximize the motor assist performance of the hybrid in the low temperature section of the battery, and the hybrid mode operation in a short time
  • the fuel cell may be normalized to improve fuel efficiency, and may include a heating paste composition capable of driving at low voltage and low power due to high heat resistance, small resistance change according to temperature, and low specific resistance.

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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 차량용 배터리 프리 히팅장치는 다수의 배터리 셀로 이루어진 배터리, 상기 배터리에 대한 충방전 단속을 위하여, 상기 배터리의 양극측에 연결되는 제1메인릴레이와, 상기 배터리의 음극측에 연결되는 제2메인릴레이를 포함하는 파워 릴레이 어셈블리, 및 발열 페이스트 조성물을 통해서 형성되는 면상 발열체를 적어도 하나 이상 구비하고, 상기 제1메인릴레이의 출력단과 상기 제2메인 릴레이의 출력단 간에 배선 연결되어, 회생제동에 따른 발전 전력을 이용하여 배터리를 소정의 온도까지 예열시키는 프리히터를 포함하고, 상기 발열 페이스트 조성물은 발열페이스트 조성물 100 중량부에 대하여 탄소나노튜브 입자 3 내지 6중량부, 탄소나노입자 0.5 내지 30중량부, 혼합 바인더 10 내지 30중량부, 유기 용매 29 내지 83 중량부, 분산제 0.5 내지 5중량부를 포함하고, 상기 혼합 바인더는 에폭시 아크릴레이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지가 혼합되거나 또는 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지가 혼합되는 것을 특징으로 한다.

Description

하이브리드 차량용 배터리 프리 히팅장치 및 그 제어 방법
본 발명은 하이브리드 차량용 배터리 프리 히팅장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
하이브리드 차량은 엔진뿐만 아니라 모터 구동원을 보조 동력원으로 채택하여, 배기가스 저감 및 연비 향상을 도모할 수 있는 미래형 차량을 말한다.
하이브리드 차량의 동력전달을 위한 일 구성예를 첨부한 도 8을 참조로 살펴보면, 엔진(100), 모터(200), 자동변속기(300)가 일축상에 직결되어 있고, 상기 엔진(100) 및 모터(200)간에는 클러치(400)가 배열되어 있으며, 또한 이들의 동작을 위한 구성으로서 고전압배터리(500)가 인버터(600)를 통해 상기 모터(200)와 충방전 가능하게 연결되어 있다.
이러한 구성을 갖는 하이브리드 차량의 동력전달 및 주행모드를 보면, 상기 모터의 동력만을 이용하는 순수 전기자동차 모드인 EV(electric vehicle)모드(도 8의 (a) 참조)와, 엔진의 회전력을 주동력으로 하면서 상기 모터(20)의 회전력을 보조 동력으로 이용하는 HEV(hybrid electric vehicle)모드(도 8의 (b) 참조)와, 엔진 동력만을 이용하여 주행하는 동시에 모터는 배터리 충전을 위한 발전기(generator) 역할을 하게 되는 엔진 단독 모드(도 8의 (c) 참조)와, 차량의 제동 혹은 관성에 의한 주행시 차량의 제동 및 관성 에너지를 상기 모터에서 발전을 통하여 회수하여 배터리에 충전하는 회생제동(RB: Regenerative Braking)모드(도 8의 (d) 참조) 등을 포함한다.
상기와 같은 주행을 하는 하이브리드 차량의 구성중 배터리는 하나의 유니트인 배터리 팩으로 구성되는데, 첨부한 도 7에 도시된 바와 같이 상기 배터리 팩의 주 운전영역의 폭은 상당히 좁은데 반하여, 실제 운행해야 할 영역에서의 배터리 팩 온도는 일정하게 제어하는데 어려운 특성을 가지고 있다.
특히, 배터리 팩의 저온 영역에서 문제를 야기시킬 수 있는데, 그 이유는 배터리의 특성상 방전시보다 충전시 전해액의 염화가 빠르게 진행되는 단점을 지니고 있기 때문이다.
한편, 하이브리드 차량의 구성중 모터, 인버터, 배터리 등은 고온 방지를 목적으로 수냉 혹은 공랭의 냉각시스템에 의하여 냉각되는데, 모터의 경우는 수냉의 형태로 냉각되고, 인버터는 공랭이나 수냉의 형태로 냉각되며, 배터리는 주로 공랭 형태의 냉각 시스템에 의하여 냉각된다.
그러나, 하이브리드 차량은 일반 전자제품과 달리 저온과 고온영역에서 모두 작동되어야 하는 기계이므로, 각 구성에 대한 온도 변화에 따른 가혹도는 더할 것이고, 이중 온도에 가장 취약한 부품으로 배터리를 들 수 있다.
고온 동작(45℃이상)의 경우, 배터리 모듈 내부의 BCM(BATTERY CONTROL MODULE)에서 그 출력을 제한하여 배터리 모듈 스스로를 보호하려하는 기능을 수행하게 되는 바, 이는 하이브리드 차량의 연비 감소를 야기하게 되므로, 이를 방지하기 위하여 항상 45℃ 이하의 온도를 유지하도록 공랭식 쿨링팬(COOL’G FAN)을 적용하여 배터리 온도를 제어한다.
배터리 온도 제어에 있어서, 가장 큰 문제는 저온 영역에서 작동시켜야 하는 경우가 발생하는데, 저온 영역에서 배터리는 그 용량이 감소하게 되고, 사용량에 따라 전해액의 염화가 진행됨으로써, 수명이 줄어드는 요인이 되고, 결국 하이브리드 차량에 있어서 재료비의 가장 큰 비중을 차지하는 배터리의 내구 수명저하로 이어지게 된다.
여기서, 종래의 배터리 팩 내부 구조 및 그 동작을 첨부한 도 5 및 도 6을 참조로 살펴보면 다음과 같다.
종래의 배터리 팩 내부의 회로 구조를 보면, 도 5에서 보는 바와 같이 배터리(10)와, 안전플러그(18: safety plug)와, 파워 릴레이 어셈블리(20, PRA: Power Relay Assembly)로 크게 나누어진다.
보다 상세하게는, 각 배터리 셀(12)들이 안전플러그(18)에 의하여 연결되고, 배터리(10)의 양극쪽에는 파워 릴레이 어셈블리(20)의 제1메인릴레이(21)가 연결되는 동시에 배터리(10)의 음극쪽에는 전류센서(23)와 제2메인릴레이(22)가 연결되며, 전류센서(23)의 출력단에는 프리차지 릴레이(24)가 연결된다.
또한, 상기 제1 및 제2메인릴레이(21,22), 그리고 프리차지 릴레이(24)는 배터리 제어기인 BMS(40)에 의하여 온/오프 제어된다.
따라서, 도 6의 순서도에 설명된 바와 같이 배터리(10) 온도가 하이브리드 모드 작동(배터리 충방전 작동에 따른 엔진+모터 어시스트 주행 모드)이 가능한 온도인지를 판단하여, BMS(40)에서 각 릴레이(21,22)를 여자시켜 배터리(10)의 충전 또는 방전이 이루어지게 된다.
그러나, 종래의 배터리 팩 내부의 회로 구조에서는 저온 영역에서 하이브리드 모드 작동이 필요한 경우, 배터리의 저온 특성상 방전작동시의 경우보다 충전작동시 배터리 전해액의 염화가 급속히 발생하여 배터리 수명을 단축시키게 되므로, 배터리 온도가 상승할 때까지 하이브리드 모드 작동을 중지한 상태로 있다가 일정온도로 상승시 하이브리드 모드 작동을 다시 시작하는 형태의 운용만이 가능하고, 결국 저온상태에서 하이브리드 모드 작동을 하지 못함으로 인하여 연료 효율을 떨어뜨리게 되므로, 저온에서 가능한 빨리 하이브리드 모드 작동을 시작할 수 있는 온도까지 배터리 온도를 상승시킬 수 있는 방안이 필요하다.
특히, 하이브리드 상용차량(버스)의 경우 배터리 팩이 루프(ROOF)쪽에 장착됨으로써, 루프에 구성되는 실내 덕트 및 배관을 통한 엔진냉각수 유입이나 히팅 에어(HEATING AIR) 유입으로 인해 배터리의 열손실이 심하게 발생된다.
본 발명의 목적은 배터리의 저온 구간에서 하이브리드의 모터 어시스트(motor assist) 성능을 극대화하기 위하여 저온상태에서의 배터리 온도 관리 방안을 제시하는 하이브리드 차량용 배터리 프리 히팅장치 및 그 제어 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 하이브리드 모드 작동을 빠른 시간에 정상화시켜 연비를 향상시킬 수 있는 하이브리드 차량용 배터리 프리 히팅장치 및 그 제어 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 고내열성을 가져 온도에 따른 저항 변화가 작고, 비저항이 낮아 저전압 및 저전력으로 구동 가능한 발열 페이스트 조성물을 포함하는 하이브리드 차량용 배터리 프리 히팅장치 및 그 제어 방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 차량용 배터리 프리 히팅장치는 다수의 배터리 셀로 이루어진 배터리, 상기 배터리에 대한 충방전 단속을 위하여, 상기 배터리의 양극측에 연결되는 제1메인릴레이와, 상기 배터리의 음극측에 연결되는 제2메인릴레이를 포함하는 파워 릴레이 어셈블리, 및 발열 페이스트 조성물을 통해서 형성되는 면상 발열체를 적어도 하나 이상 구비하고, 상기 제1메인릴레이의 출력단과 상기 제2메인 릴레이의 출력단 간에 배선 연결되어, 회생제동에 따른 발전 전력을 이용하여 배터리를 소정의 온도까지 예열시키는 프리히터를 포함하고, 상기 발열 페이스트 조성물은 발열페이스트 조성물 100 중량부에 대하여 탄소나노튜브 입자 3 내지 6중량부, 탄소나노입자 0.5 내지 30중량부, 혼합 바인더 10 내지 30중량부, 유기 용매 29 내지 83 중량부, 분산제 0.5 내지 5중량부를 포함하고, 상기 혼합 바인더는 에폭시 아크릴레이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지가 혼합되거나 또는 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지가 혼합되는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 제1메인릴레이의 출력단과 프리히터간에 연결되어, BMS에 의한 온/오프 제어를 받게 되는 프리히팅용 릴레이를 더 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 프리히터는 다수의 배터리 셀을 감싸는 배터리 케이스의 바닥면에 설치되어 배터리 케이스의 측면부에 형성되는 유로내의 냉각유체를 가열하는 히팅 코어일 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 혼합 바인더는 에폭시 아크릴레이트 또는 헥사메틸렌 디이소시아네이트 100 중량부에 대하여 폴리비닐 아세탈 수지 10 내지 150 중량부, 페놀계수지 100 내지 500 중량부가 혼합될 수 있다.
실시 예에 있어서, 발열 페이스트 조성물 100 중량부에 대하여 실란 커플링제 0.5 내지 5 중량부를 더 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 탄소나노튜브 입자는 다중벽 탄소나노튜브 입자일 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 유기 용매는 카비톨 아세테이트, 부틸 카비톨 아세테이트, DBE(dibasic ester), 에틸카비톨, 에틸카비톨아세테이트, 디프로필렌글리콜메틸에테르, 셀로솔브아세테이트, 부틸셀로솔브아세테이트, 부탄올 및 옥탄올 중에서 선택되는 2 이상의 혼합 용매일 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 면상 발열체는 상기 발열 페이스트 조성물이 기판 상에 스크린 인쇄, 그라비아 인쇄 또는 콤마코팅되어 형성될 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 기판은 폴리이미드 기판, 유리섬유 매트 또는 세라믹 유리일 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 면상 발열체는 상기 면상 발열체 상부면에 코팅되는 것으로, 실리카 또는 카본븍랙과 같은 흑색 안료를 구비하는 유기물로 형성되는 보호층을 더 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 면상 발열체에 전력을 공급하는 전력 공급부를 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 하이브리드 차량용 배터리 프리 히팅장치 제어 방법은 배터리의 온도가 하이브리드 작동이 가능한 범위인지를 판단하는 단계, 배터리의 온도가 하이브리드 작동이 가능한 범위 이하인 저온 상태이면, 배터리 팩내의 회로 구성중 하나인 파워 릴레이 어셈블리의 제1메인릴레이와 프리히터간에 연결된 프리히팅용 릴레이를 온으로 여자시키는 단계, 하이브리드 차량의 회생제동에 따른 모터의 발전 전력이 상기 프리히팅용 릴레이를 통해 상기 프리히터로 공급되는 단계, 및 상기 프리히터의 가열 작동에 의하여 상기 배터리 팩내의 각 배터리 셀들이 소정의 온도까지 가열되는 단계를 포함하고, 상기 프리히터는 발열 페이스트 조성물을 통해서 형성되는 면상 발열체를 적어도 하나 이상 구비하고, 상기 발열 페이스트 조성물은 발열페이스트 조성물 100 중량부에 대하여 탄소나노튜브 입자 3 내지 6중량부, 탄소나노입자 0.5 내지 30중량부, 혼합 바인더 10 내지 30중량부, 유기 용매 29 내지 83 중량부, 분산제 0.5 내지 5중량부를 포함하고, 상기 혼합 바인더는 에폭시 아크릴레이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지가 혼합되거나 또는 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지가 혼합되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 하이브리드 차량용 배터리 프리 히팅장치 및 그 제어 방법의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 배터리의 저온 구간에서 하이브리드의 모터 어시스트 성능을 극대화하기 위하여 저온상태에서의 배터리 온도 관리 방안을 제시할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 하이브리드 모드 작동을 빠른 시간에 정상화시켜 연비를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 고내열성을 가져 온도에 따른 저항 변화가 작고, 비저항이 낮아 저전압 및 저전력으로 구동 가능한 발열 페이스트 조성물을 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 차량용 배터리 프리 히팅장치를 나타내는 회로 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 차량용 배터리 프리 히팅장치의 제어 동작을 설명하는 순서도이다.
도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 차량용 배터리 프리 히팅장치가 회생 제동에 의하여 작동하는 것을 설명하는 회로 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 차량용 배터리 프리 히팅장치 구성중 프리히터 구조를 설명하는 개략도이다.
도 5는 종래의 배터리 팩 내부 회로 구성도이다.
도 6은 종래의 배터리 팩 내부의 회로 구성에 의한 충방전 순서도이다.
도 7은 하이브리드 차량의 배터리 온도에 따른 운전 특성을 설명하는 그래프이다.
도 8은 하이브리드 차량의 동력전달을 위한 일 구성예 및 그 주행 모드를 설명하는 개략도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 차량용 배터리 프리 히팅장치에 포함되는 발열 페이스트 조성물을 이용한 면상 발열체의 시편의 이미지이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 차량용 배터리 프리 히팅장치의 실시 예 및 비교 예에 따라 제조된 면상 발열체의 발열 안정성 시험 모습의 이미지이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
전술한 바와 같이, 배터리의 온도 조건이 최적의 배터리 운행 구간에서 바깥 범위에 있을 경우, 즉 배터리의 온도가 저온 상태인 경우, 배터리 충방전을 막기 위해 BCM(battery control module)은 하이브리드 모드 작동을 중지하는 제어를 하게 되고, 배터리의 온도가 운행 가능 범위에 상승하기까지 기다리게 되는데, 이는 엔진 동력 이외에 모터 어시스트가 작동을 하지 못하여, 즉 하이브리드 모드 작동을 하지 못하여 연비를 저해하는 요소로 작용하게 된다.
또한, 하이브리드 모드 작동을 하지 못하게 되면, 모터에 의한 회생 제동력을 사용하기 어려운 구조가 되어, 브레이크(BRAKE) 성능도 저하될 수 있고, 특히 배터리 저온 상태에서 회생 제동력을 이용하여 발전된 에너지(전력)을 배터리에 충전하게 된다면 배터리 수명이 저하되는 환경을 만들게 된다.
이러한 점을 감안하여, 본 발명은 배터리 팩내에 프리히터를 설치하고, 이 프리히터를 하이브리드 차량의 회생제동에 의한 전력을 이용하여 작동시킴으로써, 배터리 팩의 온도를 미리 가열시키면서 빠르게 상승시켜 하이브리드 모드 작동이 빠른 시간내에 정상적으로 작동될 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 차량용 배터리 프리 히팅장치를 나타내는 회로 구성도이다.
배터리 팩 내부의 회로 구조를 보면, 도 1에서 보는 바와 같이 배터리(10)와, 안전플러그(18: safety plug)와, 파워 릴레이 어셈블리(20, PRA: Power Relay Assembly)로 크게 나누어지고, 각 배터리 셀(12)들이 안전플러그(18)에 의하여 연결되며, 또한 배터리(10)의 양극쪽에는 파워 릴레이 어셈블리(20)의 제1메인릴레이(21)가 연결되는 동시에 배터리(10)의 음극쪽에는 전류센서(23)와 제2메인릴레이(22)가 연결되고, 전류센서(23)의 출력단에는 프리차지 릴레이(24)가 연결된다.
특히, 상기 파워 릴레이 어셈블리(20)는 배터리(10)에 대한 충방전 단속을 위한 구성으로서, 배터리(10)의 양극측에 연결되는 제1메인릴레이(21)와, 상기 배터리(10)의 음극측에 연결되는 제2메인릴레이(22)로 구성되되, 상기 제1메인릴레이(21)의 출력단과 상기 제2메인 릴레이(22)의 출력단 간에 회생제동에 따른 발전 전력을 이용하여 배터리(10)를 소정의 온도까지 예열시키는 프리히터(30)가 배선 연결된다.
또한, 상기 제1메인릴레이(21)의 출력단과 프리히터(30)간에는 BMS(40)에 의한 온/오프 제어를 받으면서 프리히터(30)의 작동을 단속하는 프리히팅용 릴레이(32)가 연결된다.
이때, 상기 제1 및 제2메인릴레이(21,22), 프리차지 릴레이(24), 그리고 프리히팅용 릴레이(32)는 배터리 제어기인 BMS(40)에 의하여 온/오프 제어된다.
한편, 상기 프리히터(30)는 배터리의 저온 상태에서 하이브리드 차량의 회생제동에 따른 모터의 발전 전력에 의하여 작동되는 히팅 코어로서, 첨부한 도 4에 도시된 바와 같이 다수의 배터리 셀(12)을 감싸는 배터리 케이스(14)의 바닥면에 설치된다.
그리고, 상기 프리히터(30)는 적어도 하나 이상의 면상 발열체를 포함할 수 있다. 상기 프리히터(30)에 포함되는 면상 발열체는 발열 페이스트 조성물이 기판 상에 스크린 인쇄, 그라비아 인쇄 또는 콤마코팅되어 형성될 수 있다. 상기 프리히터(30)에 포함되는 면상 발열체 및 면상 발열체를 형성하는 발열 페이스트 조성물은 이후에 보다 구체적으로 설명한다.
이에, 상기 프리히터(30) 즉, 히팅 코어가 회생제동에 따른 모터의 발전 전력에 의하여 작동되면, 상기 배터리 케이스(14)의 측면부에 형성되는 유로(16)내의 냉각유체를 가열하게 되고, 그 가열된 열이 배터리 케이스의 내부로 전달되어 배터리 셀들을 가열하게 된다.
여기서, 상기한 구성으로 이루어진 본 발명의 배터리 프리 히팅장치의 제어 동작을 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 차량용 배터리 프리 히팅장치의 제어 동작을 설명하는 순서도이고, 도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 차량용 배터리 프리 히팅장치가 회생 제동에 의하여 작동하는 것을 설명하는 회로 구성도이다.
먼저, 배터리(10)의 온도가 하이브리드 모드(엔진+ 모터 어시스트 모드) 작동이 가능한 범위인지를 판정한다.
그 판정 결과, 배터리(10)의 온도가 하이브리드 작동이 가능한 범위 이하인 저온 상태로 판정되면, BMS(40)의 제어 신호에 의하여 상기와 같이 파워 릴레이 어셈블리(20)의 제1메인릴레이(21)와 프리히터(30)간에 연결된 프리히팅용 릴레이(32)가 온으로 여자된다.
물론, 배터리(10)의 온도가 하이브리드 작동이 가능한 범위로 판정되면, 제1 및 제2메인릴레이(21,22)를 온으로 여자시켜서, 배터리의 충방전이 정상적으로 이루어지게 된다.
상기 프리히팅용 릴레이(32)가 온으로 여자되면, 상기 프리히터(40)는 모터(MG: Motor & Generator)와 통전 가능한 상태가 된다.
이때, 하이브리드 차량의 회생제동이 이루어지면, 도 3에 도시된 바와 같이 회생제동에 따른 모터의 발전 전력이 상기 프리히팅용 릴레이(32)를 통해 프리히터(30)로 공급되어, 프리히터(30)의 가열 작동이 시작된다.
여기서, 프리히터(30)는 적어도 하나 이상의 면상 발열체를 포함할 수 있다. 프리히터(30)에 포함되는 면상 발열체는 발열 페이스트 조성물이 기판 상에 스크린 인쇄, 그라비아 인쇄 또는 콤마코팅되어 형성될 수 있다. 프리히터(30)에 포함되는 면상 발열체 및 면상 발열체를 형성하는 발열 페이스트 조성물은 이후에 보다 구체적으로 설명한다.
즉, 상기 배터리 케이스(14)의 바닥면에 설치된 프리히터(30) 즉, 히팅 코어가 가열 작동을 시작하여, 배터리 케이스(14)의 측면부에 형성된 유로(16)내의 냉각유체를 가열하게 되고, 이 가열된 열로 인하여 배터리 케이스내의 배터리 셀들이 가열된다.
이렇게 상기 프리히터(30)의 가열 작동에 의하여 배터리 팩내의 각 배터리 셀(12)들이 소정의 온도, 바람직하게는 하이브리드 모드 작동이 가능한 배터리 온도까지 가열된다.
이와 같이, 저온 상태의 배터리를 신속하게 하이브리드 모드 작동이 가능한 온도까지 가열해 줌으로써, 하이브리드 모드 작동이 빠른 시간내에 정상적으로 작동될 수 있게 해준다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 후막 형성용 발열 페이스트 조성물(이하, 발열 페이스트 조성물)은 탄소나노튜브 입자, 탄소나노입자, 혼합 바인더, 유기 용매 및 분산제를 포함한다.
구체적으로 발열 페이스트 조성물 100 중량부에 대하여 탄소나노튜브 입자 3 내지 6중량부, 탄소나노입자 0.5 내지 30 중량부, 혼합 바인더 10 내지 30 중량부, 유기 용매 29 내지 83 중량부, 분산제 0.5 내지 5 중량부를 포함한다.
상기 탄소나노튜브 입자는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브 또는 이들의 혼합물로부터 선택될 수 있다. 예컨대 상기 탄소나노튜브 입자는 다중벽 탄소나노튜브(multi wall carbon nanotube)일 수 있다. 상기 탄소나노튜브 입자가 다중벽 탄소나노튜브일 때, 직경은 5nm 내지 30nm 일 수 있고, 길이는 3㎛ 내지 40㎛일 수 있다.
상기 탄소나노입자는 예컨대 그라파이트 나노입자일 수 있으며, 직경은 1㎛ 내지 25㎛일 수 있다.
혼합 바인더는 발열 페이스트 조성물이 300℃ 가량의 온도 범위에서도 내열성을 가질 수 있도록 하는 기능을 하는 것으로, 에폭시 아크릴레이트(Epocy acrylate) 또는 헥사메틸렌 디이소시아네이트(Hexamethylene diisocyanate), 폴리비닐 아세탈(Polyvinyl acetal) 및 페놀계 수지(Phenol resin)가 혼합된 형태를 갖는다. 예컨대 상기 혼합 바인더는 에폭시 아크릴레이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지가 혼합된 형태일 수 있고, 또는 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지가 혼합된 형태일 수도 있다. 본 발명에서는 혼합 바인더의 내열성을 높임으로써, 300℃ 가량의 고온으로 발열시키는 경우에도 물질의 저항 변화나 도막의 파손이 없다는 장점을 갖는다.
여기에서 페놀계 수지는 폐놀 및 페놀 유도체를 포함하는 페놀계 화합물을 의미한다. 예컨대 상기 페놀 유도체는 p-크레졸(p-Cresol), o-구아야콜(o-Guaiacol), 크레오졸(Creosol), 카테콜(Catechol), 3-메톡시-1,2-벤젠디올(3-methoxy-1,2-Benzenediol), 호모카테콜(Homocatechol), 비닐구아야콜(vinylguaiacol), 시링콜(Syringol), 이소-유제놀(Iso-eugenol), 메톡시 유제놀(Methoxyeugenol), o-크레졸(o-Cresol), 3-메틸-1,2-벤젠디올(3-methoxy-1,2-Benzenediol), (z)-2-메톡시-4-(1-프로페닐)-페놀((z)-2-methoxy-4-(1-propenyl)-Phenol), 2,.6-디에톡시-4-(2-프로페닐)-페놀(2,6-dimethoxy-4-(2-propenyl)-Phenol), 3,4-디메톡시-페놀(3,4-dimethoxy-Phenol), 4-에틸-1,3-벤젠디올(4ethyl-1,3-Benzenediol), 레졸 페놀(Resole phenol), 4-메틸-1,2-벤젠디올(4-methyl-1,2-Benzenediol), 1,2,4-벤젠트리올(1,2,4-Benzenetriol), 2-메톡시-6-메틸페놀(2-Methoxy-6-methylphenol), 2-메톡시-4-비닐페놀(2-Methoxy-4-vinylphenol) 또는4-에틸-2-메톡시-페놀(4-ethyl-2-methoxy-Phenol) 등이 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 혼합 바인더의 혼합 비율은 에폭시 아크릴레이트 또는 헥사메틸렌 디이소시아네이트 100 중량부에 대하여 폴리비닐 아세탈수지 10 내지 150 중량부, 페놀계 수지 100 내지 500 중량부의 비율일 수 있다. 페놀계 수지의 함량이 100 중량부 이하인 경우 발열 페이스트 조성물의 내열 특성이 저하되며, 500 중량부를 초과하는 경우에는 유연성이 저하되는 문제가 있다(취성 증가).
유기 용매는 상기 전도성 입자 및 혼합 바인더를 분산시키기 위한 것으로, 카비톨 아세테이트(Carbitol acetate), 부틸 카비톨아세테이트(Butyl carbotol acetate), DBE(dibasic ester), 에틸카비톨, 에틸카비톨아세테이트, 디프로필렌글리콜메틸에테르, 셀로솔브아세테이트, 부틸셀로솔브아세테이트, 부탄올(Butanol) 및 옥탄올(Octanol) 중에서 선택되는 2 이상의 혼합 용매일 수 있다.
한편, 분산을 위한 공정은 통상적으로 사용되는 다양한 방법들이 적용될 수 있으며, 예를 들면 초음파처리(Ultra-sonication), 롤밀(Roll mill), 비드밀(Bead mill) 또는 볼밀(Ball mill) 과정을 통해 이루어질 수 있다.
분산제는 상기 분산을 보다 원활하게 하기 위한 것으로, BYK류와 같이 당업계에서 이용되는 통상의 분산제, Triton X-100과 같은 양쪽성 계면활성제, SDS등과 가은 이온성 계면활성제를 이용할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 발열 페이스트 조성물은 발열 페이스트 조성물 100 중량부에 대하여 실란 커플링제 0.5 내지 5 중량부를 더 포함할 수 있다.
실란커플링제는 발열 페이스트 조성물의 배합시에 수지들간에 접착력을 증진시키는 접착증진제 기능을 한다. 실란 커플링제는 에폭시 함유 실란 또는 머켑토 함유 실란일 수 있다. 이러한 실란 커플링제의 예로는 에폭시가 함유된 것으로 2-(3,4 에폭시 사이클로헥실)-에틸트리메톡시실란, 3-글리시독시트리메톡시실란, 3-글리시독시프로필트리에톡시실란, 3-글리시독시프로필트리에톡시실란이 있고, 아민기가 함유된 것으로 N-2(아미노에틸)3-아미토프로필메틸디메톡시실란, N-2(아미노에틸)3-아미노프로필트리메톡시실란, N-2(아미노에틸)3-아미노프로필트리메톡시실란, 3-아미노프로필트리에톡시실란, 3-아미노프로필트리에톡시실, 3-트리에톡시실리-N-(1,2-디메틸뷰틸리덴)프로필아민, N-페닐-3-아미노프로필트리메톡시실란이 있으며, 머켑토가 함유된 것으로 3-머켑토프로필메틸디메톡시실란, 3-머켑토프로필트리에톡시실란, 이소시아네이트가 함유된 3-이소시아네이트프로필트리에톡시실란 등이 있으며, 상기 나열한 것으로 한정되지 않는다.
본 발명은 상술한 본 발명의 실시 예들에 따른 발열 페이스트 조성물을 기판 상에 스크린 인쇄, 그라비아 인쇄(내지 롤투롤 그라비아 인쇄) 또는 콤마코팅(내지 롤투롤 콤마코팅)하여 형성되는 면상 발열체를 추가적으로 제공한다.
여기에서 상기 기판은 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 플리이미드, 셀룰로스 에스텔, 나일론, 폴리프로필렌, 폴리아크릴로린트릴, 폴리술폰, 폴리에스테르술폰, 폴리비닐리덴플롤라이드, 유리, 유리섬유(매트), 세라믹, SUS, 구리 또는 알루미늄 기판 등이 사용될 수 있으며, 상기 나열된 것들로 한정되는 것은 아니다. 상기 기판은 발열체의 응용 분야나 사용온도에 따라 적절히 선택될 수 있다.
면상 발열체는 상기 기판 상에 본 발명의 실시 예들에 따른 발열 페이스트 조성물을 스크린 인쇄 또는 그라비아 인쇄를 통해 원하는 패턴으로 인쇄하고, 건조 및 경화한 후에, 상부에 은 페이스트 또는 도전성 페이스트를 인쇄 및 건조/경화 시킴으로써 전극을 형성함으로써 형성될 수 있다. 또는 은 페이스트 또는 도전성 페이스트를 인쇄 및 건조/경화한 후에 상부에 본 발명의 실시 예들에 따른 발열 페이스트 조성물을 스크린 인쇄 또는 그라비아 인쇄함으로써 형성하는 것도 가능하다.
한편, 상기 면상 발열체는 상부면에 코팅되는 보호층을 더 포함할 수 있다. 상기 보호층은 실리카(SiO₂)로 형성될 수 있다. 보호층이 실리카로 형성되는 경우에는 발열면에 코팅되더라도 발열체가 유연성을 유지할 수 있는 장점을 갖는다.
이하, 본 발명에 따른 발열 페이스트 조성물 및 이를 이용한 면상 발열체를 시험예를 통하여 상세히 설명한다. 하기 시험예는 본 발명을 설명하기 위한 예시일 뿐, 본 발명이 하기 시험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
시험예
(1) 실시 예 및 비교 예의 준비
하기 [표 1]과 같이 실시 예(3종류) 및 비교 예(3종류)를 준비하였다. [표 1]에 표기된 조성비는 중량%로 기재된 것임을 밝혀둔다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1 비교예 2 비교예 3
CNT 입자 4 5 6 4 5 6
CNP 입자 8 9 15 - - -
혼합 바인더 20 15 22 - - -
에틸셀룰로오스 - - - 10 12 14
유기용매 63 67 52 82 79 76
분산제(BYK) 5 4 5 4 4 4
실시 예들의 경우 CNT 입자와, CNP 입자(실시 예 1 내지 3)를 [표 1]의 조성에 따라 카비톨아세테이트 용매에 첨가하고 BYK 분산제를 첨가한 후, 60분간 초음파 처리를 통해 분산액 A를 제조하였다. 이후, 혼합 바인더를 카비톨아세테이트 용매에 첨가한 후 기계적 교반을 통해 마스터 배치를 제조하였다. 다음으로 상기 분산액 A 및 마스터배치를 기계적 교반을 통해 1차 혼련한 후에 3-롤-밀 과정을 거쳐 2차 혼련함으로써 발열 페이스트 조성물을 제조하였다.
비교 예들의 경우 CNT 입자를 [표 1]의 조성에 따라 카비톨아세테이트 용매에 첨가하고 BYK 분산제를 첨가한 후, 60분간 초음파 처리를 통해 분산액을 제조하였다. 이후, 에틸셀룰로오스를 카비톨아세테이트 용매에 첨가한 후 기계적 교반을 통해 마스터 배치를 제조하였다. 다음으로 상기 분산액 B 및 마스터배치를 기계적 교반을 통해 1차 혼련한 후에 3-롤-밀 과정을 거쳐 2차 혼련함으로써 발열페이스트 조성물을 제조하였다.
(2) 면상발열체 특성 평가
실시 예 및 비교 예에 따른 발열 페이스트 조성물을 10×10cm 크기로 폴리이미드 기판 위에 스크린 인쇄하고 경화한 후에, 상부 양단에는 은 페이스트 전극을 인쇄하고 경화하여 면상 발열체 샘플을 제조하였다.
관련하여 도 9는 본 발명에 따른 발열 페이스트 조성물을 이용하여 제작한 면상 발열체 시편의 이미지이다. 도 9a는 폴리이미드 기판 위에 발열 페이스트 조성물이 스크린 인쇄되어 형성된 면상 발열체이다. 도 9b는 유리섬유 매트 위에 발열 페이스트 조성물이 스크린 인쇄되어 형성된 면상 발열체이다. 도 9c 및 도 9d는 도 9a의 면상 발열체 상부에 보호층을 코팅한 경우의 이미지이다(도 9c는 검은색 보호층 코팅, 도 9d는 녹색 보호층 코팅).
도 9a에 나타난 것과 같은 면상 발열체 샘플(실시 예) 및 상기 비교 예에 따라 제조된 면상 발열체 샘플들의 비저항을 측정하였다(인가되는 전압/전류는 [표 2]에 표기됨). 또한, 인가되는 전압/전류에 따른 승온 효과를 확인하기 위해 상기 실시 예 및 비교 예에 해당하는 면상 발열체를 각각 40℃, 100℃ 및 200℃까지 승온시키고, 상기 온도에 도달하였을 때의 DC 전압 및 전류를 측정하였다.
또한, 각 샘플들에 대하여 200℃에서의 발열안정성을 테스트하였다. 관련하여, 도 10에서는 실시 예 및 비교 예에 따라 제조된 면상 발열체 샘플들의 발열안정성 시험 모습의 이미지를 나타내었으며, 시험결과는 하기 [표 2]에 정리하였다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1 비교예 2 비교예 3
비저항(×10ˇ²Ωcm 1.9 2.55 2.96 9.73 8.52 6.23
40℃ 도달 DC 구동 전압/전류 5V/0.2A 6V/0.2A 7V/0.2A 20V/0.3A 16V/0.2A 12V/0.2A
100℃ 도달 DC 구동 전압/전류 9V/0.5A 12V/0.4A 14V/0.5A 48V/0.7A 40V/0.7A 26V/0.6A
200℃ 도달 DC 구동 전압/전류 20V/0.6A 24V/0.7A 24V/1.0A - - -
발열안정성(day) 20일 이상 20일 이상 20일 이상 불량 불량 불량
상기 [표 2]를 참조하며, 비저항은 실시 예들에 해당하는 면상 발열체가 비교 예들에 해당하는 면상 발열체보다 작게 측정되었으며, 이에 따라 각 온도 에 도달하기 위해 필요한 구동 전압/전류 역시 실시 예들에 해당하는 면상 발열체가 비교 예들에 해당하는 면상 발열체보다 작게 측정되었다. 즉 실시 예들에 해당하는 면상 발열체가 비교 예보다 저전압 및 저전력으로 구동 가능함을 확인할 수 있었다.
또한, 실시 예 1 내지 3에 따른 면상 발열체에서는 200℃의 발열 구동하에서도 20일간 안정성이 유지되는 것으로 나타나는 반면에(별도의 보호층없음), 비교 예 1 내지 3에서는 200℃의 발열 구동시 2시간 이내에 발열부 표면이 부풀어 오르는 불량 현상이 관찰되었다. 즉 실시 예들에 해당하는 면상 발열체가 비교 예보다 200℃이상의 고온에서도 안정적으로 구동 가능함을 확인할 수 있었다.
본 발명은 상술한 면상 발열체와, 상기 면상 발열체에 전력을 공급하는 전력공급부를 포함하는 휴대용 발열히터를 추가적으로 제공한다.
여기에서 전력공급부란 면상 발열체의 좌우측에 도포 형서되는 리드 전극과, 상기 리드 전극에 부착 형성되는 전원접속용 전극을 포함할 수 있다. 경우에 따라서는 상기 전원접속용 전극이 면상 발열체에 직접 연결될 수 있다. 상기리드 전극 또는 전원접속용 전극은 은 페이스트, 구리 페이스트, 구리 테이프 등을 이용하여 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 휴대용 발열 히터는 상기 면상 발열체가 몸체 내부 또는 외면에 부착, 매립 또는 장착되고, 상기 면상 발열체의 구동을 위한 전력공급부를 구비하는 형태를 갖는다. 이러한 휴대용 발열 히터는 유모차용 이너 시트, 발열 양말, 발열 신발, 발열 모자, 휴대용 발열 매트, 휴대용 조리 기구, 차량용 발열 시트 등에 이용될 수 있다.
특히 본 발명에 따른 휴대용 발열 히터에 채용되는 면상 발열체는 상기에서 설명한 바와 같이 저전압 및 저전력으로 구동이 가능하므로 리튬이온 배터리, 리튬 폴리머 배터리 등의 충방전이 가능한 2차 전지로 구동할 수 있는 바, 휴대성이 증진되고 사용시간을 크게 늘릴 수 있다는 장점이 있다.
결국, 본 발명에 따른 하이브리드 차량용 배터리 프리 히팅장치 및 그 제어 방법은 배터리의 저온 구간에서 하이브리드의 모터 어시스트 성능을 극대화하기 위하여 저온상태에서의 배터리 온도 관리 방안을 제시하고, 하이브리드 모드 작동을 빠른 시간에 정상화시켜 연비를 향상시킬 수 있으며, 고내열성을 가져 온도에 따른 저항 변화가 작고, 비저항이 낮아 저전압 및 저전력으로 구동 가능한 발열 페이스트 조성물을 포함할 수 있다.
따라서, 이상의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (12)

  1. 다수의 배터리 셀로 이루어진 배터리;
    상기 배터리에 대한 충방전 단속을 위하여, 상기 배터리의 양극측에 연결되는 제1메인릴레이와, 상기 배터리의 음극측에 연결되는 제2메인릴레이를 포함하는 파워 릴레이 어셈블리; 및
    발열 페이스트 조성물을 통해서 형성되는 면상 발열체를 적어도 하나 이상 구비하고, 상기 제1메인릴레이의 출력단과 상기 제2메인 릴레이의 출력단 간에 배선 연결되어, 회생제동에 따른 발전 전력을 이용하여 배터리를 소정의 온도까지 예열시키는 프리히터를 포함하고,
    상기 발열 페이스트 조성물은,
    발열페이스트 조성물 100 중량부에 대하여 탄소나노튜브 입자 3 내지 6중량부, 탄소나노입자 0.5 내지 30중량부, 혼합 바인더 10 내지 30중량부, 유기 용매 29 내지 83 중량부, 분산제 0.5 내지 5중량부를 포함하고,
    상기 혼합 바인더는 에폭시 아크릴레이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지가 혼합되거나 또는 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지가 혼합되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 배터리 프리 히팅장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1메인릴레이의 출력단과 프리히터간에 연결되어, BMS에 의한 온/오프 제어를 받게 되는 프리히팅용 릴레이를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 배터리 프리 히팅장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 프리히터는,
    다수의 배터리 셀을 감싸는 배터리 케이스의 바닥면에 설치되어 배터리 케이스의 측면부에 형성되는 유로내의 냉각유체를 가열하는 히팅 코어인 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 배터리 프리 히팅장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 혼합 바인더는,
    에폭시 아크릴레이트 또는 헥사메틸렌 디이소시아네이트 100 중량부에 대하여 폴리비닐 아세탈 수지 10 내지 150 중량부, 페놀계수지 100 내지 500 중량부가 혼합되는 하이브리드 차량용 배터리 프리 히팅장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    발열 페이스트 조성물 100 중량부에 대하여 실란 커플링제 0.5 내지 5 중량부를 더 포함하는 하이브리드 차량용 배터리 프리 히팅장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 입자는 다중벽 탄소나노튜브 입자인 하이브리드 차량용 배터리 프리 히팅장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 유기 용매는,
    카비톨 아세테이트, 부틸 카비톨 아세테이트, DBE(dibasic ester), 에틸카비톨, 에틸카비톨아세테이트, 디프로필렌글리콜메틸에테르, 셀로솔브아세테이트, 부틸셀로솔브아세테이트, 부탄올 및 옥탄올 중에서 선택되는 2 이상의 혼합 용매인 하이브리드 차량용 배터리 프리 히팅장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 면상 발열체는,
    상기 발열 페이스트 조성물이 기판 상에 스크린 인쇄, 그라비아 인쇄 또는 콤마코팅되어 형성되는 하이브리드 차량용 배터리 프리 히팅장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 기판은 폴리이미드 기판, 유리섬유 매트 또는 세라믹 유리인 하이브리드 차량용 배터리 프리 히팅장치.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 면상 발열체는,
    상기 면상 발열체 상부면에 코팅되는 것으로, 실리카 또는 카본븍랙과 같은 흑색 안료를 구비하는 유기물로 형성되는 보호층을 더 포함하는 하이브리드 차량용 배터리 프리 히팅장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 면상 발열체에 전력을 공급하는 전력 공급부를 더 포함하는 하이브리드 차량용 배터리 프리 히팅장치.
  12. 배터리의 온도가 하이브리드 작동이 가능한 범위인지를 판단하는 단계;
    배터리의 온도가 하이브리드 작동이 가능한 범위 이하인 저온 상태이면, 배터리 팩내의 회로 구성중 하나인 파워 릴레이 어셈블리의 제1메인릴레이와 프리히터간에 연결된 프리히팅용 릴레이를 온으로 여자시키는 단계;
    하이브리드 차량의 회생제동에 따른 모터의 발전 전력이 상기 프리히팅용 릴레이를 통해 상기 프리히터로 공급되는 단계; 및
    상기 프리히터의 가열 작동에 의하여 상기 배터리 팩내의 각 배터리 셀들이 소정의 온도까지 가열되는 단계를 포함하고,
    상기 프리히터는,
    발열 페이스트 조성물을 통해서 형성되는 면상 발열체를 적어도 하나 이상 구비하고,
    상기 발열 페이스트 조성물은,
    발열페이스트 조성물 100 중량부에 대하여 탄소나노튜브 입자 3 내지 6중량부, 탄소나노입자 0.5 내지 30중량부, 혼합 바인더 10 내지 30중량부, 유기 용매 29 내지 83 중량부, 분산제 0.5 내지 5중량부를 포함하고,
    상기 혼합 바인더는 에폭시 아크릴레이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지가 혼합되거나 또는 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지가 혼합되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 배터리 프리 히팅장치 제어 방법.
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