KR101232785B1

KR101232785B1 - 이차 전지 팩 냉각 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101232785B1
Application number: KR1020100106284A
Authority: KR
Inventors: 권동근; 강주현; 김영관
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2010-10-28
Filing date: 2010-10-28
Publication date: 2013-02-13
Also published as: KR20120044790A

Abstract

본 발명은 이차 전지 팩의 냉각 장치 및 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 냉각 장치는, 이차 전지 팩을 수납하는 이차 전지 하우징; 상기 이차 전지 팩의 온도 측정 값을 생성하는 온도 측정부; 상기 이차 전지 하우징 내로 송풍 공기를 공급하여 상기 이차 전지 팩을 공냉식으로 냉각하는 제1냉각부; 상기 이차 전지 팩과 결합된 냉각 자켓으로 액상 냉매를 공급하여 상기 이차 전지 팩을 수냉식으로 냉각하는 제2냉각부; 및 자동차의 속도 값과 이차 전지 팩의 온도 측정 값에 따라 냉각 소음이 운전자에게 주는 불쾌감을 최소화하는 방향으로 상기 제1냉각 수단과 상기 제2냉각 수단의 구동 여부 및 구동 단수를 가변적으로 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 이차 전지 팩의 냉각 소음이 주는 운전자의 불쾌감을 최소화할 수 있고, 냉각 장치의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

이차 전지 팩 냉각 장치 및 방법{Apparatus and Method of cooling secondary battery pack}

본 발명은 이차 전지 팩을 냉각하는 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이차 전지 팩이 장착된 자동차의 주행 속도에 따라 이차 전지 팩의 냉각 모드를 가변적으로 제어함으로써 냉각 소음으로 인한 운전자의 불쾌감을 최소화하며 냉각 성능을 증가시킬 수 있는 이차 전지 팩 냉각 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

오늘날 지구 온난화, 자원 고갈 등의 문제로 인하여, 대체 에너지에 대한 연구가 활발해지고 있는 추세이다. 특히, 대기오염의 주범으로 지적되는 자동차 에너지원에 대한 연구가 활발하다.

이러한 연구 중에서, 대표적인 것은 자동차 에너지원인 화석원료를 전기 에너지로 대체하는 전기 자동차 연구 분야이다. 전기 자동차는 화석원료 대신에 이차 전지의 전원을 동력으로 공급받아 주행하는 차량으로서, 주행거리가 점점 늘어가고 속력도 향상되고 있는 추세이다. 이러한 전기 자동차는 화석연료 고갈의 문제점을 해결할 수 있는 수단으로서 부각되고 있으며, 차세대 이동수단으로 자리매김하고 있다.

더불어, 화석원료와 이차 전지 중 어느 하나를 선택하여 동력원으로 사용하는 하이브리드 자동차(hybrid car)가 상용화되어 출시되고 있다. 하이브리드 자동차는 화석원료가 부족하면 이차 전지의 전원을 동력원으로 이용하여 주행하고, 이차 전지가 방전된 경우 화석원료를 동력원으로 이용하여 주행한다.

전기 자동차와 하이브리드 자동차와 같은 전기 구동 자동차(이하, 용어 통일함)에 사용될 수 있는 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있다. 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.

전기 구동 자동차는 이차 전지가 사용되는 다른 전자 기기에 비해 높은 출력을 필요로 한다. 따라서 전기 구동 자동차에는 다수의 이차 전지를 케이스에 수납한 후 이차 전지 상호간을 직렬 또는 병렬로 연결하여 출력을 높인 이차 전지 팩이 사용된다.

이차 전지 팩이 충전 또는 방전될 때에는 이차 전지 팩에서 전기화학적 반응이 활발하게 일어나므로 많은 열이 발생한다. 이러한 열로 이차 전지 팩이 과열되면 이차 전지 팩에서 화재가 일어나거나 심한 경우 이차 전지 팩이 폭발할 수 있다. 이차 전지 팩의 화재나 폭발은 전기 구동 자동차에 탑승한 운전자의 생명을 위협할 수도 있고 전기 구동 자동차의 전복 사고 등을 유발하여 다른 운전자의 생명까지 위협하는 상황을 초래할 수 있다. 따라서 전기 구동 자동차는 이차 전지 팩이 과열되는 것을 방지하기 위해 이차 전지 팩의 온도를 적정 수준으로 제어할 수 있는 냉각 장치를 필요로 한다.

종래 기술에 따른 이차 전지 팩 냉각 장치는 냉각 방식에 따라 공냉식과 수냉식으로 구분된다. 공냉식은 냉각 팬으로 외부의 공기를 유입시켜 공기에 의해 이차 전지 팩을 냉각하는 방식이다. 그리고 수냉식은 물과 같은 액상 냉매를 이차 전지 팩 주위에 순환시켜 이차 전지 팩을 냉각하는 방식이다.

공냉식 냉각 장치는, 공간 효율성이 좋고 냉각 장치를 구성하는 비용이 낮다는 장점은 있지만 냉각 팬의 구동 과정에서 소음 발생이 심하다는 단점이 있다. 그리고 수냉식 냉각 장치는, 펌프, 열교환기, 배관 등의 여러 가지 부대 설비들을 필요로 하므로 냉각 장치를 구성하는 비용이 높고 공간 효율성이 떨어지는 단점은 있지만 발생하는 소음이 거의 없다는 장점이 있다.

한편, 최근의 자동차 소비자는 자동차를 선택함에 있어서 정숙성을 매우 중요한 요소로 고려하는 성향이 있다. 현대인들은 자동차 탑승 시간이 점점 증가하고 있으므로 자동차에 탑승해 있는 동안 보다 안락하고 편안한 분위기를 원하기 때문이다. 실제 일본의 자동차 회사 도요타는 정숙성이 뛰어난 자동차를 개발하여 소비자들에게 좋은 호응을 얻은 바 있다.

전기 구동 자동차가 이차 전지 팩의 전원으로 구동할 때 발생되는 소음의 원인에는 여러 가지가 있는데 그 중 하나가 이차 전지 팩의 냉각 장치이다. 특히, 공냉식 냉각 장치의 경우는 냉각 팬이 고속으로 회전하는 과정에서 공기와 회전 날개의 마찰, 그리고 냉각 팬을 회전시키는 모터 등에서 상당한 소음이 발생한다. 냉각 장치로부터 발생되는 소음은 전기 구동 자동차의 주행속도와 냉각 장치의 구동 단수에 따라서 다른 원인으로 인한 소음보다 운전자에게 더 불쾌감을 줄 수 있다. 예를 들어 전기 구동 자동차의 주행 속도가 낮을 때에는 타이어의 노면 마찰로 인한 소음, 바람으로 인한 소음, 전동 모터에서 비롯되는 소음보다는 이차 전지 팩의 냉각 장치로부터 기인하는 소음이 자동차 실내의 정숙성을 해치는 주요한 원인이 될 수 있다. 따라서 이차 전지 팩의 냉각 장치를 개발할 때에는 냉각 장치로부터 발생되는 소음이 자동차 실내의 정숙성을 해치는 주요한 원인이 되지 않도록 하는 방안이 강구될 필요가 있다.

다른 한편, 전기 구동 자동차의 속도는 화석 연료를 사용하는 자동차의 속도에 아직 미치지 못한다. 하지만 앞으로 이차 전지 팩의 성능이 향상된다면 전기 구동 자동차가 낼 수 있는 속도도 빠르게 증가할 것으로 예상된다. 이차 전지 팩의 성능 향상은 단위 시간당 이차 전지 팩이 생산할 수 있는 출력의 증가를 의미한다. 하지만 이차 전지 팩의 출력이 증가하면 그 만큼 전기화학적 반응으로 인한 발열량이 증가하므로 이차 전지 팩의 냉각 장치에 대한 성능 개선도 수반될 필요가 있다. 하지만 공냉식 또는 수냉식 냉각 장치 하나 만으로 이차 전지 팩의 냉각 성능을 향상시키는 데는 한계가 있다. 따라서 여러 가지 냉각 방식을 병용하는 방안이 활발하게 연구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 배경 하에서 안출된 것으로서, 전기 구동 자동차에 탑재된 이차 전지 팩의 냉각 시 주행 속도에 따라 냉각 방식을 변경 및 병용함으로써 냉각 소음에 의한 운전자의 불쾌감을 최소화할 수 있는 이차 전지 팩 냉각 장치와 그 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은, 전기 구동 자동차에 탑재된 이차 전지 팩의 냉각 시 주행 속도에 따라 여러 가지 냉각 방식을 병용함으로써 이차 전지 팩의 냉각 성능을 향상시킬 수 있는 이차 전지 팩 냉각 장치와 그 제어 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 구성과 구성의 조합에 의해 실현될 수 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 전기 구동 자동차에 탑재된 이차 전지 팩을 냉각하는 장치는, 이차 전지 팩을 수납하는 이차 전지 하우징; 상기 이차 전지 팩의 온도 측정 값을 생성하는 온도 측정부; 상기 이차 전지 하우징 내로 송풍 공기를 공급하여 상기 이차 전지 팩을 공냉식으로 냉각하는 제1냉각부; 상기 이차 전지 팩과 결합된 냉각 자켓으로 액상 냉매를 공급하여 상기 이차 전지 팩을 수냉식으로 냉각하는 제2냉각부; 및 자동차의 속도 값과 이차 전지 팩의 온도 측정 값에 따라 냉각 소음이 운전자에게 주는 불쾌감을 최소화하는 방향으로 상기 제1냉각 수단과 상기 제2냉각 수단의 구동 여부 및 구동 단수를 가변적으로 제어하는 제어부를 포함한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 자동차 속도 값이 저속 범위이면, 상기 제어부는 상기 제2냉각부를 상기 제1냉각부보다 우선적으로 구동시키고, 상기 이차 전지 팩의 온도 측정 값이 감소하지 않으면 구동되고 있는 냉각부의 구동 단수를 증가시킨다. 또한, 상기 제어부는, 상기 이차 전지 팩의 온도 측정 값이 상기 제2냉각부의 최대 구동 단수에 대응하는 최대 임계 온도 이상이 되는 조건에서 상기 제2냉각부의 구동을 유지하면서 상기 제1냉각부의 구동을 시작하고, 상기 이차 전지 팩의 온도 측정 값이 감소하지 않으면 상기 제1냉각부의 구동 단수를 증가시킨다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 자동차 속도 값이 중속 범위이면, 상기 제어부는 상기 제1냉각부를 상기 제2냉각부보다 우선적으로 구동시키고, 상기 이차 전지 팩의 온도 측정 값이 감소하지 않으면 구동되고 있는 냉각부의 구동 단수를 증가시킨다. 또한, 상기 제어부는, 상기 이차 전지 팩의 온도 측정 값이 상기 제1냉각부의 중간 구동 단수에 대응하는 중간 임계 온도 이상이 되는 조건에서 상기 제1냉각부의 구동 단수를 유지하면서 상기 제2냉각부의 구동을 시작하고, 상기 이차 전지 팩의 온도 측정 값이 감소하지 않으면 상기 제2냉각부의 구동 단수를 중간 단수까지 증가시킨다. 아울러, 상기 제어부는, 상기 이차 전지 팩의 온도 측정 값이 상기 제2냉각부의 중간 구동 단수에 대응하는 중간 임계 온도 이상이 되는 조건에서 상기 제2냉각부의 구동 단수를 유지하면서 상기 제1냉각부의 구동 단수를 최대 구동 단수까지 증가시킨다. 나아가, 상기 제어부는, 상기 이차 전지 팩의 온도 측정 값이 상기 제1냉각부의 최대 구동 단수에 대응하는 최대 임계 온도 이상이 되는 조건에서 상기 제2냉각부의 구동 단수를 최대 구동 단수까지 증가시킨다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 제어부는, 상기 자동차 속도 값이 고속 범위이면, 상기 제1냉각부를 상기 제2냉각부보다 우선적으로 구동시키고, 상기 이차 전지 팩의 온도 측정 값이 감소하지 않으면 구동되고 있는 냉각부의 구동 단수를 최대 구동 단수까지 증가시킨다. 또한, 상기 제어부는, 상기 이차 전지 팩의 온도 측정 값이 상기 제1냉각부의 최대 구동 단수에 대응하는 최대 임계 온도 이상이 되는 조건에서 상기 제2냉각부의 구동을 시작하고, 상기 이차 전지 팩의 온도가 감소하지 않으면 상기 제2냉각부의 구동 단수를 최대 구동 단수까지 증가시킨다.

바람직하게, 본 발명에 따른 이차 전지 팩 냉각 장치는, 상기 이차 전지 하우징 내부에 외기의 흐름을 유발하여 상기 이차 전지 팩을 자연풍으로 냉각하는 외기 유동 덕트를 더 포함한다. 또한, 상기 제어부는 상기 자연풍에 의한 냉각 상태를 상시적으로 유지할 수 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차 전지 팩 냉각 방법은, 이차 전지 하우징에 실장되어 전기 구동 자동차에 탑재된 이차 전지 팩을 냉각하는 방법으로서, 상기 전기 구동 자동차의 속도 값과 상기 이차 전지 팩의 온도 측정 값을 획득하는 제1단계; 및 상기 자동차의 속도 값과 상기 이차 전지 팩의 온도 측정 값에 따라, 상기 이차 전지 팩을 공냉식으로 냉각하는 제1냉각부와 상기 이차 전지 팩을 수냉식으로 냉각하는 제2냉각부에 대한 구동 여부 및 구동 단수를, 냉각 소음이 운전자에게 주는 불쾌감을 최소화하는 방향으로 가변 제어하는 제2단계를 포함한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 전기 구동 자동차에 탑재된 이차 전지 팩의 냉각 시 주행 속도에 따라 냉각 방식을 변경하고 병용함으로써 이차 전지 팩의 냉각 소음에서 기인하는 운전자의 불쾌감을 최소화할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 전기 구동 자동차에 탑재된 이차 전지 팩의 냉각 시 주행 속도에 따라 여러 가지 냉각 방식을 병용함으로써 냉각 장치의 냉각 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 팩 냉각 장치의 구성을 개략적으로 도시한 장치 구성도이다.
도 2는 이차 전지 팩이 수납된 케이스와 수냉식 냉각장치의 결합 구조를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 3은 이차 전지 팩의 냉각에 적용 가능한 냉각 방식 별로 냉각 유체가 흐르는 모습을 도시한 개념도이다.
도 4는 전기 구동 자동차의 주행 속도와 이차 전지 팩의 온도에 따라 냉각 방식이 변화되는 일 예를 보여주는 그래프이다.
도 5는 전기 구동 자동차의 주행 속도와 이차 전지 팩의 온도에 따라 냉각 방식이 변화되는 다른 예를 보여주는 그래프이다.
도 6은 전기 구동 자동차가 저속 범위로 운행 중일 때 본 발명에 따른 이차 전지 팩 냉각 방법의 일 실시예를 보여주는 순서도이다.
도 7은 전기 구동 자동차가 중속 범위로 운행 중일 때 본 발명에 따른 이차 전지 팩 냉각 방법의 다른 실시예를 보여주는 순서도이다.
도 8은 전기 구동 자동차가 고속 범위로 운행 중일 때 본 발명에 따른 이차 전지 팩 냉각 방법의 또 다른 실시예를 보여주는 순서도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 팩 냉각 장치의 구성을 개략적으로 도시한 장치 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 이차 전지 팩 냉각 장치(10)는, 이차 전지 하우징(13), 온도 측정부(18), 외기 유동 덕트(11), 제1냉각부(15), 제2냉각부(16) 및 제어부(17)를 포함한다.

상기 이차 전지 하우징(13)은 이차 전지 팩(B)이 설치되는 공간을 정의하고, 상기 외기 유동 덕트(11)와 연통되는 구조를 가진다. 상기 이차 전지 하우징(13)과 이차 전지 팩(B) 사이에는 공기 유동 공간(12)이 형성된다. 상기 이차 전지 하우징(13)은 내구성이 좋은 금속 또는 플라스틱 재질로 이루어진다.

상기 온도 측정부(18)는 이차 전지 팩(B)의 온도를 측정하고, 온도 측정 값을 제어부(17)로 출력한다. 상기 온도 측정부(18)는 이차 전지 팩을 구성하는 케이스(14)의 외벽에 부착된다. 대안으로, 상기 온도 측정부(18)는 상기 케이스(14)에 수납된 이차 전지 단위 셀(C)의 표면에 부착될 수도 있다. 상기 온도 측정부(18)는 열전쌍(Thermostat) 등과 같은 공지의 온도 측정 센서로 구성한다.

상기 외기 유동 덕트(11)는 이차 전지 하우징(13) 내부로 외기를 유입시키고 상기 공기 유동 통로(12)를 통과하면서 이차 전지 팩(B)으로부터 발산된 열에 의해 온도가 상승한 외기를 다시 배출 시키는 통로를 제공한다. 이를 위해, 상기 외기 유동 덕트(11)는 이차 전지 하우징(13)의 외기 입구부(13a)와 연통된 외기 유입 덕트(11a)와, 이차 전지 하우징(13)의 외기 배출부(13b)와 연통된 외기 배출 덕트(11b)를 포함한다. 상기 외기 유동 덕트(11)의 재질은, 금속, 플라스틱 또는 고무로부터 선택 가능하다.

상기 외기 유동 덕트(11)는 전기 구동 자동차가 주행되는 동안 자연풍에 의한 냉각 모드를 제공한다. 즉, 전기 구동 자동차가 주행을 시작하면 상기 외기 유입 덕트(11a)의 압력이 외기의 압력보다 낮아지므로 상기 외기 유입 덕트(11a)로 외기가 유입된다. 유입된 외기는 이차 전지 하우징(13)의 공기 유동 공간(12)을 통해 이동하면서 이차 전지 팩(B)으로부터 흡열을 한 후 외기 배출 덕트(11b)를 통해 바깥으로 배출된다. 이러한 과정에서 이차 전지 팩(B)의 냉각이 이루어진다. 외기의 유입 속도는 전기 구동 자동차의 주행 속도에 비례하여 증가한다. 전기 구동 자동차의 주행 속도가 증가하면 외기와 외기 유입 덕트(11a) 사이의 압력 차가 더 커지기 때문이다.

상기 제1냉각부(15)는 이차 전지 하우징(13) 내로 송풍 공기를 공급하여 이차 전지 팩(B)을 공냉식으로 냉각하는 냉각 팬이다. 상기 제1냉각부(15)는 냉각 팬의 날개 회전에 의해 외기를 흡입하여 빠른 속도로 이차 전지 하우징(13) 내로 송풍 공기를 공급한다. 제1냉각부(15)가 구동될 때에는, 날개와 공기의 마찰, 전동 모터 등으로부터 소음이 발생하므로 후술할 제2냉각부(16)에 비해 상대적으로 소음 발생 정도가 높다. 제1냉각부(15)의 구동 여부와 구동 단수, 즉 날개의 회전 속도는 제어부(17)에 의해 통제된다. 한편, 제1냉각부(15)를 구성하는 냉각 팬의 설치 위치는 다양한 변형이 가능하다. 따라서 냉각 팬은 이차 전지 팩(B)의 상부와 대향되도록 이차 전지 하우징(13)과 결합되어도 무방하다.

상기 제2냉각부(16)는 이차 전지 팩(B)과 결합되어 있는 냉각 자켓(g)을 통해 액상 냉매를 순환시켜 이차 전지 팩(B)을 수냉식으로 냉각하는 수단이다. 상기 냉각 자켓(g)은 그 외부 표면이 이차 전지 팩(B)에 조립된 이차 전지 단위 셀(C)의 표면과 접촉하며 액상 냉매가 순환될 수 있는 챔버를 가진다.

상기 제2냉각부(16)는 액상 냉매의 순환을 위해 상기 냉각 자켓(g)과 연통되어 액상 냉매가 흐르는 유로를 제공하는 냉매 유동 채널(21)과, 액상 냉매가 저장되는 액상 냉매 저장소(22)와, 상기 액상 냉매 저장소(22)에 저장된 저온의 액상 냉매를 상기 냉매 유동 채널(21)을 통해 상기 냉각 자켓(g)으로 펌핑하는 펌프(23)와, 상기 냉각 자켓(g)으로부터 유출된 고온의 액상 냉매로부터 열을 흡수하여 상기 액상 냉매 저장소(22)로 저온의 액상 냉매를 송출하는 열 교환기(24)를 포함한다.

상기 냉매 유동 채널(21)은, 액상 냉매를 냉각 자켓(g) 측으로 유입시키는 액상 냉매 유입 배관(21a)과, 냉각 자켓(g) 측으로부터 액상 냉매를 회수하는 액상 냉매 회수 배관(21b)과, 제2냉각부(16)를 구성하는 각 구성요소 사이를 연결하는 연결 배관(21c)를 포함한다.

상기 열 교환기(24)는 통상적인 열 교환 수단으로 사용되는 라디에이터일 수 있다. 상기 라디에이터는 알루미늄 핀 구조와 이와 결합된 얇은 구리 세관으로 이루어진다. 냉각 자켓(g)으로부터 회수된 고온의 액상 냉매는 얇은 구리 세관을 통과하면서 알루미늄 핀 구조로 열을 발산한다. 따라서 열 교환기(24)를 통과한 액상 냉매는 온도가 저하된 상태로 액상 냉매 저장소(22)로 유입된다. 한편, 열 교환기(24)는 라디에이터로만 한정되는 것은 아니다. 따라서 액상 냉매로부터 열을 회수할 수 있는 기능을 가진 것이라면 어떠한 것이라도 열 교환기로 채용될 수 있다.

상기 제2냉각부(16)는 펌프(23)를 통해 액상 냉매를 순환시켜 이차 전지 팩(B)을 냉각시키므로 상기 제1냉각부(15)에 비해 냉각 소음이 상대적으로 덜하다. 상기 제2냉각부(16)의 구동 여부와 구동 단수는 제1냉각부(15)와 마찬가지로 제어부(17)에 의해 통제된다.

상기 제어부(17)는 전기 구동 자동차의 운행 시 이루어지는 이차 전지 팩(B)의 냉각 과정에서 발생되는 냉각 소음이 운전자에게 불쾌감을 주는 것을 최소화하면서 이차 전지 팩(B)의 냉각 과정을 전반적으로 제어한다. 즉, 상기 제어부(17)는 외기 유동 덕트(11)를 통한 자연풍 냉각 상태를 유지하면서 전기 구동 자동차의 주행 속도 값과 이차 전지 팩(B)의 온도 값에 따라 상기 제1냉각부(15)와 상기 제2냉각부(16)의 구동 여부 및 구동 단수를 가변적으로 제어한다.

여기서, 상기 전기 구동 자동차의 속도 값은 전기 구동 자동차의 전반적인 전자 제어 동작을 관장하는 전장 제어 컴퓨터(20)로부터 제공되고, 상기 이차 전지 팩(B)의 온도 측정 값은 온도 측정부(18)로부터 제공된다.

상기 제어부(17)는 전기 구동 자동차의 속도 값이 저속 범위, 중속 범위 및 고속 범위 중 어디에 속하는지 여부에 따라 냉각 방식을 다변화시킨다. 이하, 속도 범위 별로 제어부(17)가 어떻게 냉각 방식을 제어하는지 도 4를 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다. 도 4는 전기 구동 자동차의 주행 속도와 이차 전지 팩(B)의 온도에 따라 냉각 방식이 변화되는 일 예를 보여주는 그래프이다.

<저속 범위>

Case1: 이차 전지 팩(B)의 온도 < T1

제어부(17)는 외기 유동 덕트(11)를 통한 자연풍으로 이차 전지 팩(B)을 냉각한다.

Case2: T1≤ 이차 전지 팩(B)의 온도 < T2

제어부(17)는 자연풍 냉각과 수냉식 냉각을 동시에 적용하기 위해 제2냉각부(16)의 구동을 시작한다. 이 때 이차 전지 팩(B)의 온도 레벨에 따라 제2냉각부(16)의 구동 단수를 최대 구동 단수(④단)까지 상향시킬 수 있다.

공냉식 냉각보다 수냉식 냉각을 우선적으로 적용하는 이유는, 전기 구동 자동차가 저속 범위에서 주행하면 이차 전지 팩(B)의 냉각 소음이 다른 소음보다 운전자에게 더 불쾌감을 줄 수 있으므로 소음이 덜한 냉각 방식을 우선적으로 적용하는 것이 바람직하기 때문이다.

Case3: T2≤ 이차 전지 팩(B)의 온도< T _max

제어부(17)는 자연풍 냉각과 최대 구동 단수에 의한 수냉식 냉각이 유지되고 있는 상태에서 공냉식 냉각을 추가로 적용하기 위해 제1냉각부(15)의 구동을 개시한다. 이 때 이차 전지 팩(B)의 온도 레벨에 따라 제1냉각부(15)의 구동 단수를 최대 구동 단수(④단)까지 상향시킬 수 있다.

Case3에 따른 냉각 모드가 되면 수냉식 냉각의 구동 단수가 최대로 유지되는 상태에서 이차 전지 팩(B)의 온도 레벨에 따라 공냉식 냉각의 구동 단수가 최대 구동 단수까지 조정됨으로써 냉각 장치의 출력 파워가 최대로 증가한다.

Case4: : T _max ≤ 이차 전지 팩(B)의 온도

제어부(17)는 이차 전지 팩(B)이 제어 가능한 온도 범위 이상으로 과열된 것으로 판단한다. 이러한 경우, 전기 구동 자동차의 운전자에게 적절한 조치를 취할 수 있도록 경보를 하는 것이 바람직하다. 따라서 제어부(17)는 그래픽 표시 장치 등을 통해 이차 전지 팩(B)의 온도가 통제 불가능한 수준으로 상승하였으므로 적절한 조치가 필요하다는 취지의 메시지를 출력한다.

<중속 범위>

Case1: 이차 전지 팩(B)의 온도 < T3

Case2: T3 ≤ 이차 전지 팩(B)의 온도 < T4

제어부(17)는 자연풍 냉각과 공냉식 냉각을 동시에 적용하기 위해 제1냉각부(15)의 구동을 시작한다. 이 때 이차 전지 팩(B)의 온도 레벨에 따라 제1냉각부(15)의 구동 단수를 중간 구동 단수(②단)까지 상향시킬 수 있다.

전기 구동 자동차가 중속 범위에서 주행하면 이차 전지 팩(B)의 냉각 소음보다는 다른 원인, 예컨대 공기의 마찰, 타이어와 노면의 마찰 등이 운전자에게 불쾌감을 더 준다. 따라서 운전자의 입장에서는 이차 전지 팩(B)의 냉각 소음에 대한 민감도가 떨어진다. 이러한 점을 감안하여, Case2에 해당하는 온도 구간에서는, 수냉식보다 전력 소모가 작으면서 냉각 효율이 좋은 공냉식 냉각을 우선적으로 적용한다.

Case3: T4 ≤ 이차 전지 팩(B)의 온도 < T5

제어부(17)는 자연풍 냉각과 중간 구동 단수에 의한 공냉식 냉각이 유지되고 있는 상태에서 수냉식 냉각을 추가로 적용하기 위해 제2냉각부(16)의 구동을 시작한다. 이 때 이차 전지 팩(B)의 온도 레벨에 따라 제2냉각부(16)의 구동 단수를 중간 구동 단수(②단)까지 상향시킬 수 있다.

공냉식 냉각의 구동 단수가 최대가 되기 전에 수냉식 냉각을 개시하는 이유는, 중속 범위에서 공냉식 냉각을 최대 구동 단수까지 운용하면 이차 전지 팩(B)의 냉각 소음이 다른 소음보다 상대적으로 증가하여 운전자에게 불쾌감을 줄 수 있기 때문이다.

Case4: T5 ≤ 이차 전지 팩(B)의 온도 < T6

제어부(17)는 자연풍 냉각, 중간 구동 단수에 의한 공냉식 냉각과 수냉식 냉각이 유지되고 있는 상태에서 공냉식 냉각 효과를 더욱 증가시키기 위해 제1냉각부(15)의 구동 단수를 중간 구동 단수에서 더 상향시킨다. 즉, 이차 전지 팩(B)의 온도 레벨에 따라 제1냉각부(15)의 구동 단수를 중간 구동 단수에서 최대 구동 단수(④단)까지 단계적으로 상향시킨다.

공냉식 냉각을 수냉식 냉각보다 상대적으로 빨리 최대 구동 단수까지 상향시키는 이유는, 이차 전지 팩(B)의 온도가 T5를 넘으면 소음 문제 보다는 이차 전지의 안전성을 우선적으로 고려해야 하므로 냉각 효율이 좋은 냉각 방식을 최대로 운용할 필요가 있기 때문이다.

Case5: T6 ≤ 이차 전지 팩(B)의 온도 < T _max

제어부(17)는 자연풍 냉각과 최대 구동 단수에 의한 공냉식 냉각이 유지되고 있는 상태에서 수냉식 냉각 효과를 더욱 증가시키기 위해 제2냉각부(16)의 구동 단수를 중간 구동 단수에서 더 상향시킨다. 즉, 이차 전지 팩(B)의 온도 레벨에 따라 제2냉각부(16)의 구동 단수를 중간 구동 단수에서 최대 구동 단수(④단)까지 단계적으로 상향시킨다.

Case6: : T _max ≤ 이차 전지 팩(B)의 온도

<고속 범위>

Case1: 이차 전지 팩(B)의 온도 < T7

Case2: T7≤ 이차 전지 팩(B)의 온도 < T8

제어부(17)는 자연풍 냉각과 공냉식 냉각을 동시에 적용하기 위해 제1냉각부(15)의 구동을 시작한다. 이 때 이차 전지 팩(B)의 온도 레벨에 따라 제1냉각부(15)의 구동 단수를 최대 구동 단수(④단)까지 상향시킬 수 있다.

수냉식 냉각보다 공냉식 냉각을 우선적으로 적용하는 이유는, 전기 구동 자동차가 고속 범위에서 주행하면 이차 전지 팩(B)의 냉각 소음보다 다른 소음이 운전자에게 더 불쾌감을 주므로 소음이 있더라도 냉각 효율이 좋은 냉각 방식을 우선적으로 적용하는 것이 바람직하기 때문이다.

Case3: T8≤ 이차 전지 팩(B)의 온도< T _max

제어부(17)는 자연풍 냉각과 최대 구동 단수에 의한 공냉식 냉각이 유지되고 있는 상태에서 수냉식 냉각을 추가로 적용하기 위해 제2냉각부(16)의 구동을 개시한다. 이 때 이차 전지 팩(B)의 온도 레벨에 따라 제2냉각부(16)의 구동 단수를 최대 구동 단수(④단)까지 상향시킬 수 있다.

Case3에 따른 냉각 모드가 되면 공냉식 냉각의 구동 단수가 최대로 유지되는 상태에서 이차 전지 팩(B)의 온도 레벨에 따라 수냉식 냉각의 구동 단수가 최대 구동 단수까지 조정됨으로써 냉각 장치의 출력 파워가 최대로 증가한다.

Case4: : T _max ≤ 이차 전지 팩(B)의 온도

도 5는 전기 구동 자동차의 주행 속도와 이차 전지 팩의 온도에 따라 냉각 방식이 변화되는 다른 예를 보여주는 그래프이다.

그래프에 도시된 바와 같이, 제어부(17)는 동일한 속도 범위에서도 전기 구동 자동차의 속도가 어떻게 되는지에 따라 냉각 방식의 변경이 이루어지는 기준 온도를 가변적으로 변경할 수 있다. 즉, 동일한 속도 범위라고 하더라도 전기 구동 자동차의 속도가 상대적으로 빠르면 이차 전지 팩(B)의 출력이 더 크다는 것을 의미한다. 이 경우, 이차 전지 팩(B)의 온도 변화가 급격하게 일어날 수 있으므로 냉각 방식의 변경을 미리 하는 것이 바람직하다. 일 예로, 전기 구동 자동차가 저속 범위에서 구동 중이더라도 전기 구동 자동차의 속도가 V1보다 빠른 V2인 경우는 자연풍 냉각에 수냉식 냉각을 추가하는 임계 온도를 보다 낮게 설정하여 전기 구동 자동차의 속도가 V1인 경우보다 수냉각 냉각의 추가 시점을 앞 당기는 것이 바람직하다.

한편 전기 구동 자동차의 주행 속도에 따라 냉각 방식을 다변화하는 모델은 상술한 실시예에 의해 한정되지 않고 다양한 변형이 가능하다. 따라서 본 발명은 냉각 방식의 변화 모델에 의해 한정되지 않는다는 것을 이해하여야 한다.

또한, 냉각 방식의 변경 기준이 되는 전기 구동 자동차의 속도 범위와, 냉각 방식이 변경되는 임계 온도인 T1 ~ T8은 전기 구동 자동차의 제원, 제1냉각부(15)와 제2냉각부(16)의 냉각 효율, 변경 가능한 구동 단수 등을 종합적으로 고려하여 실험이나 시행 착오법에 의해 귀납적으로 결정할 수 있다. 이러한 귀납적 결정은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식 가진 자에게 용이할 것임은 자명하다.

일 예로, 저속 범위는 0 ~ 60km, 중속 범위는 60 ~ 120km, 고속 범위는 120km 이상으로 설정할 수 있다. 또한, 저속 범위에서 T1과 T2는 각각 40도와 60도로, 중속 범위에서 T3, T4, T5 및 T6는 각각 35도, 45도, 53도, 70도로, 고속 범위에서 T7 및 T8은 각각 30도 및 50도로 설정할 수 있다. 그리고 T_max는 이차 전지의 위험 온도 수준으로 알려진 예를 들어 80 ~ 100도로 설정할 수 있다.

나아가, 도 4 및 도 5를 통해 설명한 냉각 방식의 변경 모델은 제어부(17)가 참조 가능한 기억수단에 룩업 테이블의 형태로 수록될 수 있다. 룩업 테이블은 전기 구동 자동차의 속도 구간 별로 냉각 방식의 변경이 이루어지는 임계 온도 값과 각 임계 온도 값을 기준으로 어떠한 냉각 방식의 변경이 있는지를 구체적으로 정의한 데이터 구조를 가지는 것이 바람직하다. 상기 기억수단은 불활성 기록매체라면 특별히 제한하지 않는다. 예를 들어, 상기 기억수단은 롬, 플래쉬 램, 하드 디스크 등이 될 수 있다. 상기 기억 수단은 제어부(17) 내에 내장되어도 좋고, 제어부(17)가 참조 가능하도록 외장되어도 무방하다.

다시 도 1로 돌아가서, 본 발명에 따른 냉각 장치는, 외기의 온도를 측정하는 외기 온도 측정부(19)를 더 포함할 수 있다. 상기 외기 온도 측정부(19)는 외기의 온도를 측정하여 온도 측정 값을 제어부(17)로 제공한다. 그러면, 제어부(17)는 외기의 온도와 이차 전지 팩(B)의 온도를 비교하고, 외기의 온도가 이차 전지 팩(B) 보다 높은 경우는 자연풍 냉각을 실시하지 않고 전기 구동 자동차의 속도 값과 이차 전지 팩(B)의 온도 값을 고려하여 수냉식 냉각 또는 공냉식 냉각을 곧 바로 적용할 수 있다. 이를 위해, 본 발명에 따른 냉각 장치는 외기 유입 덕트(11a) 측에 외기 유입을 선택적으로 개폐할 수 있는 밸브(V)를 구비할 수 있다. 외기의 온도 조건에 따라 자연풍 냉각의 실시가 필요하지 않은 경우 제어부(17)는 상기 밸브(V)를 제어하여 외기의 유입을 선택적으로 차단할 수 있다.

상기 제어부(17)는 전술한 여러 가지 기능을 수행하기 위해 마이크로프로세서를 포함하는 PCB 보드로 구현될 수도 있고, ASIC 칩과 같은 원 칩 형태로 구현되어도 무방하다. 또한, 상기 제어부(17)가 수행하는 기능은 컴퓨터가 판독 가능한 프로그램으로 코팅되어 상기 제어부(17)의 기능을 구현하는 하드웨어 장치의 기억수단에 기록되어 실행될 수 있다. 또한 상기 제어부(17)가 수행하는 기능은 아날로그 또는 디지털 로직 회로로 구현되는 것도 가능하다. 상기 제어부(17)가 수행하는 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 부품을 작동 가능하게 결합하고 마이크로프로세서의 동작을 위해 필요한 각종 프로그램을 설치하는 것은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.

도 2는 본 발명에 따라 냉각의 대상이 되는 이차 전지 팩에 수냉식 냉각을 구현하는 장치인 제2냉각부(16)가 결합된 모습의 일 예를 보다 구체적으로 도시한 사시 도이다.

도면을 참조하면, 이차 전지 팩(B)은 다수의 이차 전지 셀(C)이 케이스(14)에 수납된 후 각각의 이차 전지 단위 셀(C)이 직렬 또는 병렬로 연결된 구조를 가진다.

상기 케이스(14)는 냉각 자켓(g)이 형성된 영역(14a), 이차 전지 단위 셀(C)이 삽입되어 수납되는 공간을 정의한 영역(14b), 그리고 슬릿(25)이 형성되어 상하로 공기 유동이 이루어지는 영역(14c)으로 이루어진다. 이들 세 영역은 각 영역 별로 별도로 제작된 후 조립을 통해 하나의 케이스로 통합될 수 있다. 하지만 본 발명은 케이스의 구체적인 구조나 조립 방법에 의해 한정되지 않는다.

상기 냉각 자켓(g)은 이차 전지 셀(C)의 표면과 접촉하며, 액상 냉매 유입 배관(21)을 통해 유입된 액상 냉매가 순환할 수 있는 내부 공간이 정의된 일종의 챔버이다. 상기 냉각 자켓(g)의 상부는 액상 냉매 유입 배관(21a)과 연통되도록 체결된다. 그리고 상기 냉각 자켓(g)의 하부는 액상 냉매 회수 배관(21b)과 연통되도록 체결된다. 따라서 냉각 자켓(g)의 상부를 통해 유입된 액상 냉매는 이차 전지 단위 셀(C)로부터 발생되는 열을 흡수한 후 냉각 자켓(g)의 하부를 통해 배출된다. 도면번호 26은 냉각 자켓(g)의 상부가 액상 냉매 유입 배관(21a)과 연통된 지점을 나타낸다. 냉각 자켓(g)의 하부와 액상 냉매 회수 배관(21b) 사이에도 이와 유사한 연통 지점이 있을 것임은 자명하다.

도 2는 냉각 방식에 따라 공기 또는 액상 냉매의 유동 방향을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도면에서, 화살표1은 자연풍 냉각이 이루어질 때의 외기 흐름이고, 화살표2는 공냉식 냉각이 이루어질 때 송풍 공기의 흐름이고, 화살표 3은 수냉식 냉각이 이루어질 때 액상 냉매의 흐름을 나타낸다.

공냉식 냉각의 경우 냉각 팬의 송풍 공기가 이차 전지 팩(B)의 하부로 빠르게 유입되며, 유입된 송풍 공기는 이차 전지 팩(B)의 케이스에 구비된 슬릿(25)을 통해 통과하면서 이차 전지 팩(B)으로부터 발생되는 열을 흡수한 후 외기와 함께 밖으로 배출된다. 또한, 송풍 공기의 일부는 이차 전지 팩(B)의 주변을 빠르게 흐르면서 이차 전지 팩(B)의 표면으로부터 발산되는 열을 급속하게 분산 및 흡수한 후 외기와 함께 밖으로 배출된다.

다음으로, 도 6 ~ 도 8에 도시된 순서도를 참조하여 본 발명에 따른 이차 전지 팩 냉각 방법을 구체적으로 설명하기로 한다.

도 6은 전기 구동 자동차가 저속 범위로 운행 중일 때 본 발명에 따른 이차 전지 팩 냉각 방법의 일 실시예를 보여주는 순서도이다.

도면을 참조하면, 제어부는 주기적으로 이차 전지 팩과 외기의 온도를 측정하고(S10), 이차 전지 팩의 온도가 외기 온도보다 높은 지 판단한다(S20).

S20 단계에서 YES로 판단되면, 자연풍 냉각을 시작한다(S30). 이를 위해, 제어부는 외기 유입 덕트 측에 구비된 밸브를 개방할 수 있다.

S30 단계 이후 제어부는 이차 전지 팩의 온도가 자연풍 냉각 한계 온도(도 4의 T1 참조) 이상인지 판단한다(S40). S40 단계에서 NO이면 자연풍 냉각을 유지한다(S50). 반대로, S50 단계에서 YES 이면, 수냉식 냉각을 추가한다(S60).

S60 단계 이후 제어부는 이차 전지 팩의 온도에 대응하여 수냉식 냉각의 냉각 단수를 조정한다(S70). 이 때, 수냉식 냉각의 냉각 단수는 이차 전지 팩의 온도(도 4의 T2 참조)에 따라 최대 단수까지 조정이 가능하다.

S70 단계와 병렬적으로, 제어부는 이차 전지 팩 온도가 수냉식 냉각 한계 온도(도 4의 T1 참조) 이상인지 여부를 판단한다(S80). S80 단계에서 NO이면 자연풍 냉각이 유지되면서(S90) 수냉식 냉각의 단수가 조정되는 단계(S70)가 반복된다. 반대로, S80 단계에서 YES이면 자연풍 냉각과 최대 구동 단수에 의한 수냉식 냉각을 유지하면서 공냉식 냉각을 추가한다(S100).

S100 단계 이후 제어부는 이차 전지 팩의 온도에 대응하여 공냉식 냉각의 냉각 단수를 조정한다(S110). 이 때, 공냉식 냉각의 냉각 단수는 이차 전지 팩의 온도(도 4의 T_max 참조)에 따라 최대 단수까지 조정이 가능하다.

S110 단계와 병렬적으로, 제어부는 이차 전지 팩 온도가 공냉식 냉각 한계 온도(도 4의 T_max 참조) 이상인지 여부를 판단한다(S120). S120 단계에서 NO이면 자연풍 냉각과 최대 구동 단수에 의한 수냉식 냉각이 유지되면서(S130) 공냉식 냉각의 구동 단수가 조정되는 단계(S110)가 반복된다. 반대로, S120 단계에서 YES 이면 제어부는 이차 전지 팩의 온도가 통제 불가능한 정도로 상승한 것으로 판단하여 전기 구동 자동차에 구비된 그래픽 표시 장치 등을 통해 경보 메시지를 운전자에게 출력하고(S140), 전기 구동 자동차가 저속 범위에서 운행될 때의 냉각 제어 프로세스를 종료한다.

도 7은 전기 구동 자동차가 중속 범위로 운행 중일 때 본 발명에 따른 이차 전지 팩 냉각 방법의 다른 실시예를 보여주는 순서도이다.

도면을 참조하면, S10 단계 내지 S50 단계는 도 6에 도시된 순서도의 해당 단계와 실질적으로 동일하다. 따라서 이하에서는 S150 단계부터 설명을 하기로 한다.

S40 단계에서, 이차 전지 팩의 온도가 자연풍 냉각 한계 온도(도 4의 T3 참조) 이상으로 상승한 것으로 판단되면, 제어부는 공냉식 냉각을 추가한다(S150). 그리고 이차 전지 팩의 온도 상승에 대응하여 공냉식 냉각의 구동 단수를 조정한다(S160). 다만 조정 가능한 구동 단수는 중간 구동 단수로 제한한다.

S160 단계와 병렬적으로, 제어부는 이차 전지 팩의 온도가 공냉식 냉각 중간 한계 온도(도 4의 T4 참조) 이상인지 판단한다(S170). S170 단계에서 NO이면 자연풍 냉각을 유지하면서(S180) 공냉식 냉각의 구동 단수를 이차 전지 팩의 온도에 따라 중간 구동 단수를 상한으로 조정하는 단계(S160)를 반복한다. 반대로 S170 단계에서 YES 이면 자연풍 냉각과 중간 구동 단수에 의한 공냉식 냉각이 유지되고 있는 상태에서 수냉식 냉각을 더 추가한다(S190).

S190 단계 이후 제어부는 이차 전지 팩의 온도 상승에 대응하여 수냉식 냉각의 구동 단수를 조정한다(S200). 다만 조정 가능한 구동 단수는 중간 구동 단수로 제한한다.

S200 단계와 병렬적으로, 제어부는 이차 전지 팩의 온도가 수냉식 냉각 중간 한계 온도(도 4의 T5 참조) 이상인지 판단한다(S210). S210 단계에서 NO이면 자연풍 냉각과 중간 구동 단수에 의한 공냉식 냉각을 유지하면서(S220) 중간 구동 단수를 벗어나지 않는 범위 내에서 이차 전지 팩의 온도에 따라 수냉식 냉각의 구동 단수를 조정하는 단계를 반복한다(S200). 반면, S210 단계에서 YES이면 자연풍 냉각과 중간 구동 단수에 의한 수냉식 냉각을 유지하면서 공냉식 냉각의 구동 단수를 이차 전지 팩의 온도에 따라 중간 구동 단수에서 최대 구동 단수까지 조정한다(S230).

S230 단계와는 병렬적으로, 제어부는 이차 전지 팩의 온도가 공냉식 냉각 한계 온도(도 4의 T6 참조) 이상인지 판단한다(S240). S240 단계에서 NO 이면 자연풍 냉각과 중간 구동 단수에 의한 수냉식 냉각을 유지하면서(S250) 공냉식 냉각의 구동 단수를 이차 전지 팩의 온도에 따라 중간 구동 단수에서 최대 구동 단수까지 조정하는 단계를 반복한다(S260). 반대로 S240 단계에서 YES 이면 제어부는 자연풍 냉각과 최대 구동 단수에 의한 공냉식 냉각을 유지하면서 수냉식 냉각의 구동 단수를 이차 전지 팩의 온도에 따라 중간 구동 단수에서 최대 구동 단수까지 조정한다(S260).

S260 단계와는 병렬적으로, 제어부는 이차 전지 팩의 온도가 수냉식 냉각 한계 온도(도 4의 T_max 참조) 이상인지 판단한다(S270). S270 단계에서 NO 이면 자연풍 냉각과 최대 구동 단수에 의한 공냉식 냉각을 유지하면서(S280) 수냉식 냉각의 구동 단수를 이차 전지 팩의 온도에 따라 중간 구동 단수에서 최대 구동 단수까지 조정하는 단계(S260)를 반복한다. 반대로 S270 단계에서 YES 이면 제어부는 이차 전지 팩의 온도가 통제 불가능한 정도로 상승한 것으로 판단하여 전기 구동 자동차에 구비된 그래픽 표시 장치 등을 통해 경보 메시지를 운전자에게 출력하고(S290), 전기 구동 자동차가 중속 범위에서 운행될 때의 냉각 제어 프로세스를 종료한다.

도 8은 전기 구동 자동차가 고속 범위로 운행 중일 때 본 발명에 따른 이차 전지 팩 냉각 방법의 또 다른 실시예를 보여주는 순서도이다.

도면을 참조하면, S10 단계 내지 S50 단계는 도 6에 도시된 순서도의 해당 단계와 실질적으로 동일하다. 따라서 동일한 단계의 반복적인 설명은 생략한다.

S40 단계에서 이차 전지 팩의 온도가 자연풍 냉각 한계 온도(도 4의 T7 참조) 이상인 것으로 판단되면 공냉식 냉각을 추가한다(S60').

S60' 단계 이후 제어부는 이차 전지 팩의 온도에 대응하여 공냉식 냉각의 냉각 단수를 조정한다(S70'). 이 때, 공냉식 냉각의 냉각 단수는 이차 전지 팩의 온도(도 4의 T8 참조)에 따라 최대 단수까지 조정이 가능하다.

S70' 단계와 병렬적으로, 제어부는 이차 전지 팩 온도가 공냉식 냉각 한계 온도(도 4의 T8 참조) 이상인지 여부를 판단한다(S80'). S80' 단계에서 NO이면 자연풍 냉각이 유지되면서(S90') 공냉식 냉각의 단수가 조정되는 단계가 반복된다(S70'). 반대로, S80' 단계에서 YES이면 자연풍 냉각과 최대 구동 단수에 의한 공냉식 냉각을 유지하면서 수냉식 냉각을 추가한다(S100').

S100' 단계 이후 제어부는 이차 전지 팩의 온도에 대응하여 수냉식 냉각의 냉각 단수를 조정한다(S110'). 이 때, 수냉식 냉각의 냉각 단수는 이차 전지 팩의 온도(도 4의 T_max 참조)에 따라 최대 단수까지 조정이 가능하다.

S110' 단계와 병렬적으로, 제어부는 이차 전지 팩 온도가 수냉식 냉각 한계 온도(도 4의 T_max 참조) 이상인지 여부를 판단한다(S120'). S120' 단계에서 NO이면 자연풍 냉각과 최대 구동 단수에 의한 공냉식 냉각이 유지되면서(S130') 수냉식 냉각의 구동 단수가 조정되는 단계(S110')가 반복된다. 반대로, S120' 단계에서 YES 이면 제어부는 이차 전지 팩의 온도가 통제 불가능한 정도로 상승한 것으로 판단하여 전기 구동 자동차에 구비된 그래픽 표시 장치 등을 통해 경보 메시지를 운전자에게 출력하고(S140'), 전기 구동 자동차가 고속 범위에서 운행될 때의 냉각 제어 프로세스를 종료한다.

한편 전기 구동 자동차의 주행 속도와 상관 없이 이차 전지 팩의 온도가 외기의 온도보다 낮을 경우는 자연풍 냉각을 실시하지 않는 것이 바람직하다. 또한 외기의 온도와 상관 없이 자연풍 냉각을 실시하지 않는 것도 얼마든지 가능하다. 이러한 경우, 도 6 내지 도 8에서 자연풍 냉각의 실시와 관련된 S40 단계는 생략하여도 무방하다.

또한, 중간 범위 속도에 적용되는 냉각 방식의 변경 모델을 고속 범위 속도에 적용하거나 그 반대로 적용하는 것도 가능하다. 따라서 중간 범위 속도와 고속 범위 속도는 구분을 따로 두지 않고 하나의 속도 범위로 통합될 수 있다.

본 발명에 따르면, 전기 구동 자동차에 탑재된 이차 전지 팩의 냉각 시 주행 속도에 따라 냉각 방식을 변경하고 병용함으로써 이차 전지 팩의 냉각 소음에서 기인하는 운전자의 불쾌감을 최소화할 수 있다. 또한, 전기 구동 자동차에 탑재된 이차 전지 팩의 냉각 시 주행 속도에 따라 여러 가지 냉각 방식을 병용함으로써 냉각 장치의 냉각 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

10: 냉각 장치 11: 외기 유동 덕트
B: 이차 전지 팩 C: 이차 전지 단위 셀
12: 외기 유동 공간 13: 전지 하우징
14: 케이스 15: 제1냉각부(공냉식)
16: 제2냉각부(수냉식) 17: 제어부
18: 온도 측정부 20: 전장 제어 컴퓨터
22: 냉매 저장소 23: 펌프
24: 열 교환기 25: 슬릿

Claims

전기 구동 자동차에 탑재된 이차 전지 팩을 냉각하는 장치에 있어서,
이차 전지 팩을 수납하는 이차 전지 하우징;
상기 이차 전지 팩의 온도 측정 값을 생성하는 온도 측정부;
상기 이차 전지 하우징 내로 송풍 공기를 공급하여 상기 이차 전지 팩을 공냉식으로 냉각하는 제1냉각부;
상기 이차 전지 팩과 결합된 냉각 자켓으로 액상 냉매를 공급하여 상기 이차 전지 팩을 수냉식으로 냉각하는 제2냉각부; 및
자동차의 속도 값과 이차 전지 팩의 온도 측정 값에 따라 상기 제1냉각부와 상기 제2냉각부의 구동 여부 및 구동 단수를 가변적으로 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 팩 냉각 장치.
제1항에 있어서,
상기 제어부는 전기 구동 자동차의 전장 제어 컴퓨터로부터 자동차 속도 값을 수신하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 팩 냉각 장치.
제2항에 있어서, 상기 제어부는,
상기 자동차 속도 값이 저속 범위이면 상기 제2냉각부를 상기 제1냉각부보다 우선적으로 구동시키고,
상기 이차 전지 팩의 온도 측정 값이 감소하지 않으면 구동되고 있는 냉각부의 구동 단수를 증가시키는 것을 특징으로 하는 이차 전지 팩 냉각 장치.
제3항에 있어서, 상기 제어부는,
상기 이차 전지 팩의 온도 측정 값이 상기 제2냉각부의 최대 구동 단수에 대응하는 최대 임계 온도 이상이 되는 조건에서 상기 제2냉각부의 구동을 유지하면서 상기 제1냉각부의 구동을 시작하고,
상기 이차 전지 팩의 온도 측정 값이 감소하지 않으면 상기 제1냉각부의 구동 단수를 증가시키는 것을 특징으로 하는 이차 전지 팩 냉각 장치.
제2항에 있어서, 상기 제어부는,
상기 자동차 속도 값이 중속 범위이면, 상기 제1냉각부를 상기 제2냉각부보다 우선적으로 구동시키고,
상기 이차 전지 팩의 온도 측정 값이 감소하지 않으면 구동되고 있는 냉각부의 구동 단수를 증가시키는 것을 특징으로 하는 이차 전지 팩 냉각 장치.
제5항에 있어서, 상기 제어부는,
상기 이차 전지 팩의 온도 측정 값이 상기 제1냉각부의 중간 구동 단수에 대응하는 중간 임계 온도 이상이 되는 조건에서 상기 제1냉각부의 구동 단수를 유지하면서 상기 제2냉각부의 구동을 시작하고,
상기 이차 전지 팩의 온도 측정 값이 감소하지 않으면 상기 제2냉각부의 구동 단수를 중간 단수까지 증가시키는 것을 특징으로 하는 이차 전지 팩 냉각 장치.
제6항에 있어서, 상기 제어부는,
상기 이차 전지 팩의 온도 측정 값이 상기 제2냉각부의 중간 구동 단수에 대응하는 중간 임계 온도 이상이 되는 조건에서 상기 제2냉각부의 구동 단수를 유지하면서 상기 제1냉각부의 구동 단수를 최대 구동 단수까지 증가시키는 것을 특징으로 하는 이차 전지 팩 냉각 장치.
제7항에 있어서, 상기 제어부는,
상기 이차 전지 팩의 온도 측정 값이 상기 제1냉각부의 최대 구동 단수에 대응하는 최대 임계 온도 이상이 되는 조건에서 상기 제2냉각부의 구동 단수를 최대 구동 단수까지 증가시키는 것을 특징으로 하는 이차 전지 팩 냉각 장치.
제2항에 있어서, 상기 제어부는,
상기 자동차 속도 값이 고속 범위이면, 상기 제1냉각부를 상기 제2냉각부보다 우선적으로 구동시키고,
상기 이차 전지 팩의 온도 측정 값이 감소하지 않으면 구동되고 있는 냉각부의 구동 단수를 최대 구동 단수까지 증가시키는 것을 특징으로 하는 이차 전지 팩 냉각 장치.
제9항에 있어서, 상기 제어부는,
상기 이차 전지 팩의 온도 측정 값이 상기 제1냉각부의 최대 구동 단수에 대응하는 최대 임계 온도 이상이 되는 조건에서 상기 제2냉각부의 구동을 시작하고,
상기 이차 전지 팩의 온도가 감소하지 않으면 상기 제2냉각부의 구동 단수를 최대 구동 단수까지 증가시키는 것을 특징으로 하는 이차 전지 팩 냉각 장치.
제1항에 있어서,
상기 이차 전지 하우징 내부에 외기의 흐름을 유발하여 상기 이차 전지 팩을 자연풍으로 냉각하는 외기 유동 덕트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 팩 냉각 장치.
제11항에 있어서, 상기 외기 유동 덕트는,
상기 이차 전지 하우징의 외기 입구부와 연통된 외기 유입 덕트와,
상기 이차 전지 하우징의 외기 배출부와 연통된 외기 배출 덕트를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 팩 냉각 장치.
제11항에 있어서,
상기 제어부는 상기 자연풍에 의한 냉각 상태를 상시적으로 유지하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 팩 냉각 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1냉각부는, 외기를 유입하여 이차 전지 하우징 내부로 송풍하는 냉각 팬임을 특징으로 하는 이차 전지 팩 냉각 장치.
제1항에 있어서, 상기 제2냉각부는,
상기 냉각 자켓과 연통되어 액상 냉매가 흐르는 유로를 제공하는 냉매 유동 채널;
상기 액상 냉매가 저장되는 액상 냉매 저장소;
상기 액상 냉매 저장소에 저장된 저온의 액상 냉매를 상기 냉매 유동 채널을 통해 상기 냉각 자켓으로 펌핑하는 펌프; 및
상기 냉각 자켓으로부터 유출된 고온의 액상 냉매로부터 열을 흡수하여 상기 액상 냉매 저장소로 송출하는 열 교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 팩 냉각 장치.
이차 전지 하우징에 실장되어 전기 구동 자동차에 탑재된 이차 전지 팩을 냉각하는 방법에 있어서,
상기 전기 구동 자동차의 속도 값과 상기 이차 전지 팩의 온도 측정 값을 획득하는 제1단계; 및
상기 자동차의 속도 값과 상기 이차 전지 팩의 온도 측정 값에 따라, 상기 이차 전지 팩을 공냉식으로 냉각하는 제1냉각부와 상기 이차 전지 팩을 수냉식으로 냉각하는 제2냉각부에 대한 구동 여부 및 구동 단수를 가변 제어하는 제2단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 팩 냉각 방법.
제16항에 있어서, 상기 제2단계에서,
상기 자동차 속도 값이 저속 범위이면 상기 제2냉각부를 상기 제1냉각부보다 우선적으로 구동시키고,
상기 이차 전지 팩의 온도 측정 값이 감소하지 않으면 구동되고 있는 냉각부의 구동 단수를 증가시키는 것을 특징으로 하는 이차 전지 팩 냉각 방법.
제17항에 있어서, 상기 제2단계에서,
상기 이차 전지 팩의 온도 측정 값이 상기 제2냉각부의 최대 구동 단수에 대응하는 최대 임계 온도 이상이 되는 조건에서 상기 제2냉각부의 구동을 유지하면서 상기 제1냉각부의 구동을 시작하고,
상기 이차 전지 팩의 온도 측정 값이 감소하지 않으면 상기 제1냉각부의 구동 단수를 증가시키는 것을 특징으로 하는 이차 전지 팩 냉각 방법.
제16항에 있어서, 상기 제2단계에서,
상기 자동차 속도 값이 중속 범위이면, 상기 제1냉각부를 상기 제2냉각부보다 우선적으로 구동시키고,
상기 이차 전지 팩의 온도 측정 값이 감소하지 않으면 구동되고 있는 냉각부의 구동 단수를 증가시키는 것을 특징으로 하는 이차 전지 팩 냉각 방법.
제19항에 있어서, 상기 제2단계에서,
상기 이차 전지 팩의 온도 측정 값이 상기 제1냉각부의 중간 구동 단수에 대응하는 중간 임계 온도 이상이 되는 조건에서 상기 제1냉각부의 구동 단수를 유지하면서 상기 제2냉각부의 구동을 시작하고,
상기 이차 전지 팩의 온도 측정 값이 감소하지 않으면 상기 제2냉각부의 구동 단수를 중간 단수까지 증가시키는 것을 특징으로 하는 이차 전지 팩 냉각 방법.
제20항에 있어서, 상기 제2단계에서,
상기 이차 전지 팩의 온도 측정 값이 상기 제2냉각부의 중간 구동 단수에 대응하는 중간 임계 온도 이상이 되는 조건에서 상기 제2냉각부의 구동 단수를 유지하면서 상기 제1냉각부의 구동 단수를 최대 구동 단수까지 증가시키는 것을 특징으로 하는 이차 전지 팩 냉각 방법.
제21항에 있어서, 상기 제2단계에서,
상기 이차 전지 팩의 온도 측정 값이 상기 제1냉각부의 최대 구동 단수에 대응하는 최대 임계 온도 이상이 되는 조건에서 상기 제2냉각부의 구동 단수를 최대 구동 단수까지 증가시키는 것을 특징으로 하는 이차 전지 팩 냉각 방법.
제16항에 있어서, 상기 제2단계에서,
상기 자동차 속도 값이 고속 범위이면, 상기 제1냉각부를 상기 제2냉각부보다 우선적으로 구동시키고,
상기 이차 전지 팩의 온도 측정 값이 감소하지 않으면 구동되고 있는 냉각부의 구동 단수를 최대 구동 단수까지 증가시키는 것을 특징으로 하는 이차 전지 팩 냉각 방법.
제23항에 있어서, 상기 제2단계에서,
상기 이차 전지 팩의 온도 측정 값이 상기 제1냉각부의 최대 구동 단수에 대응하는 최대 임계 온도 이상이 되는 조건에서 상기 제2냉각부의 구동을 시작하고,
상기 이차 전지 팩의 온도 측정 값이 감소하지 않으면 상기 제2냉각부의 구동 단수를 최대 구동 단수까지 증가시키는 것을 특징으로 하는 이차 전지 팩 냉각 방법.
제16항에 있어서, 상기 제2단계에서,
외기 유동 덕트에 의해 상기 이차 전지 하우징 내부에 외기의 흐름을 유발하여 상기 이차 전지 팩을 자연풍에 의해 냉각시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 팩 냉각 방법.