WO2021215572A1 - 전기자동차용 배터리 가열을 위한 히터 시스템과 이를 구비하는 전기자동차용 배터리 - Google Patents

전기자동차용 배터리 가열을 위한 히터 시스템과 이를 구비하는 전기자동차용 배터리 Download PDF

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heater
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bms
contactor
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김민철
남상현
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에너테크인터내셔널 주식회사
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Definitions

  • the present invention relates to a heater system for heating an electric vehicle so that a battery operation can be made in a low-temperature environment where battery operation is difficult in an electric vehicle, and a battery for an electric vehicle having the same, and more particularly, to a battery for an electric vehicle having the same, which can simplify the overall configuration and increase safety It relates to a heater system having a configuration and an electric vehicle battery having the same.
  • a battery is basically a device made to make chemical energy compatible with electrical energy, and the use of a secondary battery capable of charging and discharging together is a basic premise due to the characteristics of a vehicle.
  • the chemical reaction that takes place inside the battery is affected by environmental conditions like general chemical reactions, and in particular, it is greatly affected by temperature. For example, in a high temperature range where self-stability is lowered due to an abnormal reaction and self-damage may occur, the battery itself may be damaged and a vehicle fire may occur.
  • the battery may not exhibit sufficient efficiency, and eventually, driving the vehicle itself may become difficult.
  • Lithium-ion battery packs which are most used for electric vehicles, have poor performance at low temperatures in winter under conditions such as Korea, where there are four distinct seasons, making it difficult to provide sufficient power to the vehicle. and the charging time is increased. For example, even when the temperature is about -6°C, the battery cannot be fully charged due to the increase in resistance when charging the battery. Therefore, there is also a problem of an increase in battery maintenance cost.
  • the electric vehicle uses a means such as a heater for heating the battery as a means for maintaining the battery temperature in a predetermined band in order to cope with the problems of efficiency reduction and vehicle inability due to a decrease in ambient temperature.
  • a heater may be operated using an external power source for a separate heater, or a heat pump system using heat from a battery and an inverter for driving a motor may be used.
  • the method of operating the heater using an external power source requires a separate power source and requires a space for installing the separate power source, and there is a problem in that the cost for this is also increased.
  • the method of using a heat pump also requires a separate configuration for the heat pump, and moreover, there is not much heat generated from the battery and inverter, so it takes a lot of time to quickly change the battery state to a normal state for driving the vehicle, and it is not effective in terms of effectiveness. There is a bad problem.
  • An object of the present invention is to provide a means for efficiently solving problems in which performance of a battery for an electric vehicle is deteriorated in a low-temperature environment and efficiency is reduced.
  • the present invention provides a heater system for heating to maintain a temperature range suitable for battery operation and an electric vehicle battery having the same, but having a heater system having a configuration that can reduce the hassle and cost of installation and maintenance operation, and comprising the same
  • An object of the present invention is to provide a battery for an electric vehicle.
  • a heater system for heating a battery for an electric vehicle of the present invention for achieving the above object
  • the battery constituting the power source of the electric vehicle, the heater connected in series with the battery, the contactor installed in the wire between the battery and the heater and responsible for the switching function, and combined with the battery to control the operation of the battery and to give the contactor a switching signal.
  • a battery management system (BMS) capable of detecting the battery temperature is provided with a temperature sensor capable of transmitting a related signal to the BMS.
  • the heater system of the present invention may further include a thermal protector that detects overheating of the heater and blocks the heater operation.
  • it may further include a current sensor that is installed on a part of the conducting wire between the battery and the heater to transmit a signal according to the amount of current to the BMS.
  • the contactor may be connected to a low voltage through the voltage change of the battery or may be driven by a separate low voltage auxiliary battery.
  • the BMS can keep the contactor closed, and when a certain temperature is exceeded, the bimetal switch can be opened to cause the BMS to switch the contactor to the open state.
  • the contactor may be provided with a solenoid switch mechanically operated by receiving an electrical signal.
  • a switch-on signal that is, a signal for putting the switch in a closed state
  • the program may be performed according to the temperature detected by the temperature sensor of the battery.
  • the signal is in the form of a pulse and the magnitude of the pulse is constant.
  • a method of controlling the amount of electricity delivered according to the duty cycle (usage rate) may be transmitted to
  • the battery for an electric vehicle of the present invention is characterized in that it comprises the heater system of the present invention.
  • a heat sink is disposed between a plurality of pouch-type or prismatic battery cells having a large area compared to the thickness so that at least one side of the battery cell is in contact with the heat conduction plate, and At least a portion may be provided with a battery module configured to contact the heater to transfer the heat of the heater to the battery cells, and the heater may be a heater block or heater capable of touching a plurality of battery cells and a plurality of heat conduction plates installed side by side while overlapping each other. It may be formed in the form of a plate (heater plate).
  • the hot plate may have a form in which a heater heating wire is installed on a linear part in contact with the heat conduction plate, and a silicon heat conduction film or plate as a heat conductor as a medium for adhesion to the surface in contact with the heat conduction plate may be installed on the hot plate.
  • An insulating material such as urethane foam, which prevents heat conduction, may be installed on the opposite surface of the surface in contact with the heat conduction plate of the hot plate.
  • the configuration of the heater system can be simplified by attaching an electric direct current heater operated by the power of the battery itself, which provides power to the electric vehicle, directly to the battery, and high voltage can be used to generate a lot of heat in a short time. Therefore, it is possible to shorten the heating time of the battery and increase user convenience.
  • the user can use the battery efficiently for a longer period of time by heating the battery within the guarantee temperature for use by applying an electric heater and then operating the electric vehicle in a normal state, thereby preventing deterioration in performance and lifespan of the lithium-ion battery and deterioration in efficiency. and reduce the cost of replacing the battery.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing the main configuration of a heater system according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is an exemplary configuration conceptual diagram showing an embodiment of a heater system blocking configuration by a thermal protector in the present invention
  • FIG. 3 is an exploded perspective view showing an exemplary configuration of a battery for an electric vehicle having a heater system of the present invention
  • FIG. 4 is an exemplary view of the heater configuration of the battery as shown in FIG. 3 viewed from various directions.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating an example of a method for operating a heater according to the present invention.
  • FIG. 1 is a box diagram conceptually illustrating a heater system according to an embodiment of the present invention.
  • the heater system is a location where the heater system is installed and is a target of heating the battery 10, the BMS 103 that controls the battery, the heater 100, a temperature sensor (not shown), and a thermal protector which is one of the temperature breaker. 105 , a contactor 102 , a current sensor 104 , and a fuse 101 .
  • the heater 100 is directly connected to an electric terminal of a battery to be heated, and receives direct electric energy to generate heat.
  • a fuse 101 that is blown when an overcurrent flows
  • a current sensor 104 that checks the amount of current flowing in the wire
  • a contactor 102 that acts as a kind of switch that regulates the wire.
  • the BMS 103 may be viewed as integral with the battery, but is displayed separately here, and may signal to be responsible for the operation and control of the battery. The BMS and, in this regard, the signal can operate at a different low voltage than the high voltage of the battery itself.
  • the BMS 103 is connected to the contactor 102 to give an opening/closing signal to the contactor, and receives information about the battery temperature from a temperature sensor (not shown) attached to the cell of the battery and transmits it to other elements of the heater system. It can send the necessary motion signal.
  • the BMS heats the battery cells by flowing a current from the battery to the heater.
  • the heater operation is automatically performed when the key of the car is turned on (on) by the BMS recognizing the temperature of the cell.
  • the BMS may give a signal so that the contactor is in a closed state so that a current flows through the wire connected to the heater.
  • the contactor When the contactor is in the closed state, current flows and the heater generates heat through resistance wires such as nichrome wire embedded in the heater plate to heat the cell.
  • the switch-on operation of the contactor may be performed by a signal given through a program built into the BMS itself.
  • This signal may be a constant signal of a certain magnitude, but may also be a periodic pulse type signal.
  • the BMS knows the current temperature through the temperature sensor installed in the battery, calculates the difference from the proper temperature of the battery, derives the amount of heat to be applied to the battery to compensate for the difference, and uses a heater to supply this amount of heat. You can send the required signal by calculating the current and time to send.
  • the pulse signal can be sent to the contactor by setting the supply time of one pulse, the pulse period, and the duration of the periodic pulse supply.
  • the current supply type can be designed through a program so that the supply time decreases as the battery temperature increases overall, and thus the amount of electricity supplied per hour decreases.
  • the supply of current from the battery to the heater may be interrupted by devices such as an ammeter and a fuse. In this case, they can be one of multiple safeguards to prevent heater overheating.
  • the ammeter there is an ammeter among the series connection wires connecting the heater and the battery.
  • the ammeter detects an abnormal current such as overcurrent
  • the signal of the ammeter is transmitted to the BMS, and when the BMS receives this signal, it sends a signal to the contactor
  • the fuse can cut off the overcurrent by directly generating heat when an overcurrent flows through the series-connected conductor, melting itself and breaking the conductor.
  • a thermal protector is installed in the heater to check whether the temperature of the heater itself is not overheated while electricity is supplied to the battery. For example, if there is a bimetal type thermal protector, when the heater overheats and exceeds a certain temperature, the bimetal inside the thermal protector constituting the overheat prevention circuit is deformed to open the bimetal switch and the current flowing through the overheat protection circuit is cut off. .
  • This overheat protection circuit can activate the contactor's current blocking function either directly or via the BMS. For example, a current cut-off by a bimetal switch in the overheat protection circuit is sensed by the BMS, and then the BMS may give a signal to the contactor to cut off the electrical energy transferred from the battery to the heater.
  • the overheat prevention circuit may directly cause switching of the contactor 202 irrespective of the BMS.
  • the current supply and cut-off by switching the contactor is not made simply by the BMS signal by the program built into the BMS as described above, but a separate means related to the overheat prevention circuit, such as the contactor operating coil ( 201), for example, may be achieved by means such as a solenoid coil switch.
  • the contactor has a switch part that is physically and mechanically switched by the electromagnetic force generated from the solenoid coil, and when the current flowing in the overheat prevention circuit is blocked by the thermal protector 205 such as a bimetal, the electromagnetic force of the solenoid coil disappears, As the switch portion is deformed by the action of, for example, elasticity, it may be in an open state to cut off current from the battery to the heater 200 .
  • FIG. 3 is an exploded perspective view illustrating an example of a battery for an electric vehicle having a heater system of the present invention, and exemplarily shows a more specific configuration of the battery and parts constituting the heater system.
  • individual pouch cells are combined to form a battery module, and the battery modules form one battery pack or subpack.
  • a cell the smallest structural unit capable of charging and discharging having energy for battery production is expressed as a cell, and a battery of a desired specification, that is, a battery pack, is made by combining these cells.
  • a battery pack is made by connecting several pouch cells, a type of lithium ion polymer secondary battery, in series and in parallel.
  • the thin peripheral or sealing portion of the individual pouch cell is sandwiched between the left subframe and the right subframe constituting one individual frame in the form of a quadrangular frame, so that the individual frame forms a pouch assembly together with the pouch cell. do.
  • the pouch assembly both large-area surfaces of the pouch cell are exposed, and the electrode terminals of the pouch cell are exposed through the gap between the left and right subframes in front and rear of the pouch cell.
  • a heat sink made of an aluminum plate having excellent thermal conductivity is positioned between the two pouch assemblies, and the heat sink can exchange heat by contacting the pouch large area surfaces (left and right side surfaces) of the two adjacent pouch assemblies.
  • the front end of the aluminum plate is exposed to the front through a gap between two adjacent individual frames and has an enlarged portion with an enlarged area to increase heat exchange efficiency with the heater.
  • the enlarged part can be made in a T-shape or an L-shape in a plan view viewed from above or a flat cross-section cut horizontally. It can be formed to have
  • the individual frames In a state in which a plurality of pouch assemblies are arranged and overlapped left and right so that the large-area faces face each other, and a plurality of individual frames of the pouch assembly are also arranged in the left and right sides, the individual frames have through holes penetrating the individual frames in the left and right directions.
  • a single long bolt penetrates these holes and a nut is filled at the end of the bolt, so that a plurality of pouch assemblies form a battery module as indicated by the first arrow on the right in FIG. 3 .
  • a plate-shaped protection panel is installed at the left and right ends of the plurality of arranged pouch assemblies to protect the battery module.
  • the protective panel also has through-holes aligned with the through-holes of individual frames, so that it can be coupled together with a plurality of pouch assemblies using bolts and nuts.
  • the electrode terminal of the pouch cell is not clearly shown here, it is connected to the circuit part for the battery module, which is a connector to the BMS and largely forms a part of the BMS through a general wire or FPCB-type wire.
  • the circuit part for the battery module may be installed on a cover plate that covers the plurality of pouch assemblies in whole or in part on the upper part of the battery module.
  • a plurality of heat sinks 300 (aluminum plates) exposed between individual frames in a plurality of pouch assemblies are positioned side by side, and a thermal pad 301 is coupled thereto.
  • the two battery modules formed in this way are put in a container-shaped case as indicated by the second arrow on the left of FIG. 3 in a state where the thermal pad 301 is combined, or a separate protective or fixing bracket, panel, or frame to form an exterior. combined to form a battery pack.
  • the electrode terminals of the battery are collectively connected in series and parallel to the electrical terminals for external supply of the battery pack, the electrical terminals of the BMS, and also to the heater through the electrical terminals, as is well known.
  • a heater more specifically, a heater plate 302 including a heating element constituting a heater system, may be coupled to the front surface of the battery module to which the thermal pad is coupled so as to be in close contact.
  • the heater plate 302 is usually made of a thermally conductive rigid body including a heating element that generates heat by converting the battery current into Joule heat, and the enlarged part of the aluminum plate constituting the heat sink is also a rigid body. , if both contact surfaces are not very even, it is easy to create a part that floats when in contact, and a fine air layer is formed in this part, which lowers the heat conduction efficiency.
  • a soft thermal pad between the enlarged part and the heater plate that partially deforms when a slight pressure is applied and ensures adhesion to easily conduct heat between the two by filling the gap.
  • a silicon pad having excellent thermal conductivity may be generally used.
  • the silicon pad has adhesiveness, so that it can be well coupled to the heater plate and the enlarged part without a separate means.
  • the thermal pad also acts to prevent thermal runaway. That is, if the heater does not come into contact with the heat transfer material (heat sink), it causes a risk of thermal runaway of the heater itself. prevent thermal runaway.
  • the rear side of the battery module may also have the same configuration as the front side and connected to the heater, and in case the battery requires cooling rather than heating, a separate thermal conductor cooling plate is installed instead of the heater plate and is connected through a heat sink and a thermal pad. can make it
  • the cooling plate forms a part of the cooling system and may be connected to a radiator device for increasing cooling efficiency, and may be directly cooled by cooling wind by a cooling fan or by circulating cooling water.
  • one side of the heater plate becomes a heating element attachment surface 400 that generates heat, and on the opposite surface (opposite surface attached to the heating element: 401), urethane foam such as a sponge for preventing heat transfer and preventing damage due to vibration, etc. of synthetic resin foam layer is installed.
  • urethane foam such as a sponge for preventing heat transfer and preventing damage due to vibration, etc. of synthetic resin foam layer is installed.
  • a wire connector for power supply and a thermal protector 403 are installed.
  • the synthetic resin foam is not installed because the silicone material is already covered where the thermal protector is installed.
  • the heater plate is provided with a power wire for connecting a battery, which is a heater power source, and a heater heating element, and a signal wire 402 connected to the thermal protector 403 .
  • the heater is a DC resistance heater having a fixed resistance value, and the heater power is variable according to the battery power (battery voltage * current flowing in the battery) applied to the resistor. do.
  • the heater power is determined according to user requirements and the characteristics of the battery used.
  • the user may require a specific amount of time it takes to heat the battery to the minimum temperature required for the desired battery output.
  • the heater system as described with reference to FIGS. 1 and 2 of the present invention can be applied, and if the operating method is described in a different aspect from the previous description through this embodiment, the heater system is powered by a battery using battery power.
  • An electric direct current heater (heater plate) that raises the temperature of It consists of a heat sink, which is an aluminum plate made of a cermet, a temperature sensor that senses the temperature of the cell, which is the smallest unit constituting the battery, and a BMS (Battery Management System) that controls the operation and stop of the heater through the temperature sensor. .
  • the heater itself has a built-in temperature control element called a thermal protector that blocks the heater operation when the temperature exceeds a certain level.
  • the BMS 103 is operated when the key of the vehicle is turned on, and thereafter, it diagnoses all states of the battery and prepares to proceed with the user's request. At this time, the temperature of all cells constituting the battery is also monitored by the BMS in real time.
  • BMS operates the heater and stops the heater when all of the cells reach the guaranteed temperature.
  • the heater has as outputs a line that supplies operating power (power wire) and a thermal protector line (overheat prevention circuit line, part of signal wire) that shuts off when a certain temperature is reached and controls the temperature.
  • the line supplying power is connected and disconnected using a heater driving switch or contactor 102, which is controlled by the BMS.
  • the thermal protector line is connected to the contactor driving coil 201 of the contactor, which is a switch for driving the heater, to block the operation when the temperature of the heater is physically higher than the limit temperature even in the BMS failure state.
  • the BMS constantly monitors the current input to the heater power line through the current measuring sensor 104, and stops the heater operation when the limit condition is exceeded.
  • the heater operation sequence will be described in more detail below.
  • BMS stops the heater operation when the temperature of even one cell among all the cells becomes 20°C or higher. This prevents the heater from continuously operating due to temperature imbalance of the battery. BMS stops the heater operation when the current input to the heater exceeds the limit value. BMS stops the heater operation when the heater operation time exceeds the limit value. The heater is automatically operated by the BMS internal algorithm or program.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating a process or algorithm serving as a reference for operation of a heater system.
  • it starts from the step S500 of determining whether a connector for external power input for driving the heater is connected and a command message to operate the heater is received.
  • this step is an option used only when an external power source is used, and is not required when using the battery's own power as in the present application.
  • the temperature of all cells constituting the battery is sensed, and it is determined whether the heater operation condition is satisfied (S501).
  • the power switch (contactor) for driving the heater is turned on to operate the heater (S502).

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Abstract

전기자동차 동력원을 이루는 배터리, 배터리와 직렬로 전기접속되는 히터, 배터리와 히터 사이의 도선 중에 설치되어 스위칭 기능을 담당하는 콘텍터, 배터리와 결합되어 배터리의 동작을 조절하며 콘텍터에 스위칭 신호를 줄 수 있는 BMS, 배터리 온도를 감지하여 관련 신호를 BMS에 전달할 수 있는 온도센서를 구비하여 이루어지는 전기자동차용 배터리 가열을 위한 히터 시스템 및 이를 구비한 전기자동차용 배터리가 개시된다. 여기서 콘텍터가 BMS에서 신호를 받아 스위칭을 실시할 때 스위치 온 신호 사전에 준비된 프로그램에 의해 이루어지고, 프로그램은 배터리의 온도 센서가 감지한 온도에 따라 진행되는 것일 수 있다.

Description

전기자동차용 배터리 가열을 위한 히터 시스템과 이를 구비하는 전기자동차용 배터리
본 발명은 전기자동차에서 배터리 동작이 어려운 저온 환경에서 배터리 동작이 이루어질 수 있도록 가열하기 위한 히터 시스템 및 이를 구비하는 전기자동차용 배터리에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전체 구성을 간편하게 하고 안전성을 높일 수 있는 구성을 가지는 히터 시스템 및 이를 구비하는 전기자동차용 배터리에 관한 것이다.
자동차 배기가스에 대한 국제 환경규제 강화, 석유의 고갈 가능성, 고유가 지속 등으로 세계 자동차시장은 내연기관 자동차에서 전기자동차로 눈을 돌리고 있다. 특히 순수 전기자동차(EV)는 효과적인 글로벌 온실가스 감축수단이자, 지속가능한 환경을 위한 유력한 대안으로 부상하고 있다. 한편, 연료비 상승에 대한 부담으로 저가 연료 자동차에 대한 소비자들의 선호가 높아짐에 따라 전기 자동차(EV) 및 하이브리드자동차(HEV)등에 대한 판매가 대폭 증가하고 있다. 이에 따라 선진국들은 전기 자동차 보급 정책을 강력하게 추진하고 있다.
따라서 전기자동차를 운영하기 위한 핵심 부품인 배터리의 용량과 효율은 전기자동차의 가장 중요한 관건이 되고, 성능에 따른 주행 가능 거리가 큰 이슈가 되고 있으며, 이로 인해 자동차 제조 회사 및 소비자의 배터리에 대한 관심이 높아지고 있다.
종래 차량 전장용 배터리는 주로 납축전지가 사용되었지만 차량의 동력원으로 사용하기에 납축전지는 무게 및 부피 대비 축적 가능한 전기량, 즉 충전용량이 낮아 전기자동차용 배터리로는 무게 대비 충전용량을 높일 수 있는 리튬 계열의 배터리가 주로 사용되고 있다.
배터리는 기본적으로 화학적 에너지를 전기 에너지와 호환시킬 수 있도록 이루어진 장치이며, 차량의 특성상 충전과 방전이 함께 이루어질 수 있는 이차전지의 사용이 기본적인 전제가 되고 있다.
그런데, 배터리 내부에서 이루어지는 화학 반응은 일반적 화학 반응과 같이 주변 환경 조건의 영향을 받으며, 특히 온도의 영향을 많이 받게 된다. 가령, 이상 반응으로 자체 안정성이 떨어지고 자체 손상이 발생할 수 있는 높은 온도 대역에서는 배터리 자체 손상이 발생하고 차량 화재 등이 유발될 수 있다.
반대로, 화학 반응이 저하되는 저온 혹한기 환경에서는 배터리가 충분한 효율을 발휘할 수 없고, 결국 차량 운행 자체가 어렵게 될 수 있다.
전기자동차용으로 가장 많이 사용되는 리튬 이온 배터리팩은 4계절이 뚜렷한 국내와 같은 조건에서는 동절기 저온에서 성능이 저하되어 자동차에 충분한 파워를 제공하기 힘들고, 충전 효율도 떨어지게 되어 기대하는 배터리 용량만큼 충전되지 않게 되고 충전 시간도 증가한다. 가령 영하 6℃ 정도만 되어도 배터리 충전시 저항의 증대로 완전 충전이 되지 않으며, 출력 저하 현상으로 인해 50% 이하의 출력 성능 밖에 내지 못하고, 배터리가 계속 저온에서 사용되면 수명이 감소하여 교체 시기가 빨리 도래하므로 배터리 유지 비용 증가의 문제도 발생한다.
이러한 문제는 러시아나 캐나다, 북유럽과 같은 높은 위도 국가에서 영하 수십도를 넘나드는 겨울에 더욱 문제가 되며, 언제라도 사용이 가능해야 하는 자동차에 있어서 이런 문제는 사용 가능성 여부에 치명적인 단점이 될 수 있다.
따라서, 전기자동차는 주변 온도 저하로 인한 효율성 감소 및 차량 운행 불능의 문제에 대응하기 위해 배터리 온도를 일정 대역으로 유지시킬 수 있는 수단으로 배터리를 가열할 수 있는 히터와 같은 수단을 사용하고 있다.
종래에는 배터리의 온도를 상승시키기 위해 외부의 별도 히터용 전원을 이용하여 히터를 작동하는 경우도 있고, 배터리와 모터 구동용 인버터의 열을 이용하는 히트 펌프 시스템을 사용하는 경우도 있다. 이러한 방법들은 배터리 자체에 히터를 부착하여 직접 열전달을 하는 방식이 아니라 간접적으로 배터리를 가열하는 방식이라고 볼 수 있다.
외부의 전원을 이용하여 히터를 동작시키는 방법은 별도 전원을 필요로하고 이 별도 전원을 설치하기 위한 공간을 필요로 하며, 이를 위한 비용도 증가하는 문제가 있다.
히트 펌프를 이용하는 방법도 히트 펌프를 위한 별도 구성이 필요하고, 더욱이 배터리와 인버터에서 발생하는 열이 많지 않아서 급속히 배터리 상태를 차량 구동을 위한 정상 상태로 옮겨갈 때 시간이 많이 필요하고 효과성 측면에서 좋지 않는 문제가 있다.
본 발명은 전기자동차용 배터리가 저온 환경에서 성능이 저하되고, 효율이 떨어지는 문제를 효율적으로 해결하기 위한 수단을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 배터리 가동에 적합한 온도 대역을 유지하도록 가열하기 위한 히터 시스템 및 이를 구비하는 전기자동차용 배터리를 제공하되 설치 및 유지 운용의 번거로움과 비용을 줄일 수 있는 구성을 가지는 히터 시스템 및 이를 구비하는 전기자동차용 배터리를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전기자동차용 배터리 가열을 위한 히터 시스템은,
전기자동차 동력원을 이루는 배터리, 배터리와 직렬로 전기접속되는 히터, 배터리와 히터 사이의 도선 중에 설치되어 스위칭 기능을 담당하는 콘텍터, 배터리와 결합되어 배터리의 동작을 조절하며 콘텍터에 스위칭 신호를 줄 수 있는 BMS(배터리 관리 시스템), 배터리 온도를 감지하여 관련 신호를 BMS에 전달할 수 있는 온도센서를 구비하여 이루어진다.
본 발명의 히터 시스템은 히터의 과열을 감지하여 히터 동작을 차단하는 써멀 프로텍터(thermal protector)를 더 구비하여 이루어질 수 있다.
본 발명에서 배터리와 히터 사이의 도선 일부에 설치되어 BMS에 전류량에 따른 신호를 전달하는 전류 센서를 더 구비할 수 있다.
본 발명에서 콘텍터는 배터리의 변압을 통하여 낮은 전압으로 연결되거나 별도의 낮은 전압 보조 배터리로 구동되는 것일 수 있으며, 가령 히터에 설치된 써멀 프로텍터로서 바이메탈 스위치가 일정 온도 이하에서는 상시적으로 닫혀 전류신호를 흘려 BMS가 콘텍터를 닫힌 상태로 유지하도록 하고, 일정 온도 초과시에는 바이메탈 스위치가 열려 BMS가 콘텍터를 열린 상태로 전환하도록 할 수 있다.
본 발명에서 콘텍터는 전기신호를 받아 기계적으로 동작하는 솔레노이드 스위치를 구비하여 이루어질 수 있다.
본 발명에서 콘텍터가 BMS에서 신호를 받아 스위칭을 실시할 때 스위치 온 신호 즉 스위치를 닫힘 상태로 하는 신호는 사전에 준비된 프로그램에 의해 이루어질 수 있다. 이때 프로그램은 배터리의 온도 센서가 감지한 온도에 따라 진행되는 것일 수 있다. 이때, 신호에 비례하여 배터리에서 히터로 전달되는 전류가 조절된다고 할 때, 신호는 펄스 형태로 이루어지고 펄스의 크기는 일정한 상태에서 듀티 사이클(duty cycle: 사용율)에 따라 전달되는 전기량을 조절하는 방식으로 전달되는 것일 수 있다.
본 발명의 전기자동차용 배터리는 본 발명의 히터 시스템을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 전기자동차용 배터리는 두께에 비해 면적이 넓은 파우치형 혹은 각형 전지셀 복수 개 사이사이에 전지 셀의 적어도 한 면이 열전도판에 닿도록 열전도판(heat sink)이 배치되고 각 열전도판의 적어도 일 부분은 히터에 닿아 히터의 열을 전지셀에 절달하도록 이루어지는 배터리모듈을 구비하여 이루어질 수 있으며, 히터는 복수의 전지 셀과 서로 겹치면서 나란히 설치되는 복수의 열전도판이 함께 닿을 수 있는 히터 블럭 혹은 히터 플레이트(heater plate: 열판)의 형태로 이루어질 수 있다.
이때 열판은 열전도판이 닿는 선형 부분에 히터 열선이 설치된 형태를 이룰 수 있으며, 열판에는 열전도판과 닿는 표면에 밀착을 위한 매개체로서 열전도체인 실리콘열전도 필름 혹은 플레이트가 설치될 수 있다.
열판의 열전도판과 닿는 면의 반대면에는 열전도를 막는 보온재 가령 우레탄 폼이 설치될 수 있다.
본 발명에 따르면 전기자동차의 동력을 제공하는 배터리 자체의 전력으로 동작되는 전기 직류 히터를 직접 배터리에 부착하여 히터 시스템의 구성을 단순화할 수 있고, 고전압의 사용이 가능하여 짧은 시간에 많은 열을 발생시킬 수 있으므로 배터리의 가열시간을 단축하여 사용자 편의성을 높일 수 있다.
본 발명에 따르면 전기 히터 적용으로 배터리의 사용 보증 온도 이내로 가열 후 정상 상태에서 전기자동차를 가동함으로써 사용자는 더 오랜 시간 배터리를 효율적으로 사용할 수 있게 되어 리튬이온 배터리 성능 및 수명 저하와 효율 저하를 방지할 수 있고, 배터리 교체 비용을 절감할 수 있다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 히터 시스템의 주된 구성을 나타내는 개략적 구성 개념도,
도2는 본 발명에서 써말 프로텍터에 의한 히터 시스템 차단 구성의 일 실시예를 나타내는 예시적 구성 개념도,
도3은 본 발명의 히터 시스템을 구비한 전기자동차용 배터리의 예시적 구성을 나타내는 분해적 사시도,
도4는 도3과 같은 배터리의 히터 구성을 여러 방향에서 본 예시적 도면들이다.
도5는 본 발명에 따른 히터 운용 방법의 일 예를 나타내는 흐름도이다.
이하 도면을 참조하면서 구체적 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 히터 시스템을 개념적으로 나타내는 박스도이다.
여기서 히터 시스템은 히터 시스템이 설치되는 위치이자 가열의 대상이 되는 배터리(10)와 이 배터리를 통제하는 BMS(103), 히터(100), 온도센서(미도시), 온도차단기의 하나인 써말 프로텍터(105), 콘텍터(102), 전류 센서(104), 퓨즈(101)를 구비하여 이루어진다.
히터(100)는 가열 대상인 배터리의 전기 단자에 직접 연결되어 직접 전기에너지를 공급받아 발열을 하게 된다. 히터(100)와 배터리를 직렬로 연결하는 도선에는 과전류가 흐르면 끊어지는 퓨즈(101), 도선에 흐르는 전류 량을 확인하는 전류 센서(104), 도선을 단속하는 스위치의 일종으로 작용하는 콘택터(102)가 설치되어 있다. BMS(103)는 배터리와 일체로 볼 수도 있지만 여기서는 별도로 표시되며, 배터리의 운용과 조절을 담당하도록 신호를 줄 수 있다. BMS 및 이와 관련하여 신호는 배터리 자체의 고전압과 다른 저전압으로 운용될 수 있다.
BMS(103)는 콘텍터(102)와 연결되어 콘텍터에 개폐 신호를 줄 수 있고, 배터리의 셀에 부착된 온도센서(미도시)로부터 배터리 온도에 대한 정보를 받아 히터 시스템의 다른 요소들에 필요한 동작 신호를 보낼 수 있다.
이런 구성에 따르면, 배터리에 설치된 온도센서가 감지한 온도 수준을 차량 대시보드에 설치된 표시장치를 통해 확인할 수 있고, 차량 사용자가 배터리가 적정 온도 이하라는 것을 인식하여 히터 시스템을 가동한다는 전제에서, 먼저 히터 시스템 가동 버튼을 누른다고 하면, BMS는 배터리에서 히터로 전류를 흘려 배터리 셀을 가열하게 된다. 보통 히터 동작은 자동차의 키를 켜면(on) BMS가 셀의 온도를 인식하여 자동으로 이루어지게 된다.
이때, BMS는 콘텍터가 히터와 연결된 도선으로 전류가 흐르도록 닫힘 상태가 되도록 신호를 줄 수 있다. 콘텍터가 닫힘 상태가 되면 전류가 흐르면서 히터에서는 히터 플레이트에 내재된 니크롬선 등 저항선 등을 통해 열을 발생시켜 셀을 가열하게 된다.
이 실시예에서 콘텍터의 스위치 온 동작은 BMS 자체에 내장된 프로그램을 통해 주어지는 신호에 의해 이루어질 수 있다. 이 신호는 일정 크기의 지속적 신호가 될 수도 있지만 주기적 펄스 타입의 신호가 될 수도 있다. 가령, BMS는 배터리에 설치된 온도 센서를 통해 현재의 온도를 알고, 배터리 적정 온도와의 차이를 계산하고, 그 차이를 보상하기 위해 배터리에 가해져야 할 열량을 도출하고, 이 열량을 공급하기 위해 히터로 보낼 전류 및 시간을 계산하여 필요한 신호를 보낼 수 있다.
전류는 배터리와 히터 시스템의 하드웨어 구성에 의해 일정하게 정해진다고 하면 이 전류에 맞는 시간을 계산하면 된다. BMS의 신호가 주기적 펄스 타입의 신호라면 1회 펄스의 공급시간, 펄스 주기, 주기적 펄스 공급이 지속될 시간을 정하여 콘텍터로 펄스 신호를 보낼 수 있다.
물론, 전류 혹은 전기 에너지가 모두 배터리의 온도 상승에 사용되는 것은 아니고 일부는 외부로 누출되는 것이므로 미리 실험을 통해 해당 배터리 구성에서의 주위 온도별 시간당 열 누출량 혹은 발열량을 확인하고 이 배터리에 전달되어야 할 전기량을 정할 수 있다. 주기적 펄스 공급이 지속될 시간을 길게 하면 그 사이에 누출되는 열량도 커지므로 이를 감안하여 더 많은 전기 에너지를 공급하여야 하며, 반대로 너무 짧은 시간 내에 많은 전기에너지를 공급하는 경우, 히터 플레이트 과열에 의해 배터리의 셀 등에 문제가 생길 수 있다. 물론, BMS에 의한 셀 온도는 상시 모니터링 되므로 통상적으로는 셀이 과열된다고 판단되면 히터 동작은 중지된다.
경우에 따라 처음에는 낮은 배터리 온도를 빠르게 상승시키는 것이 바람직하고, 낮은 온도에서는 배터리의 손상 가능성도 낮으므로 펄스 공급이 지속될 시간동안 처음부터 공급을 일정 주기로 하고 1회 펄스의 공급시간을 일정하게 할 필요는 없으며, 전체적으로 배터리 온도가 높아질수록 공급되는 시간이 줄어들고 따라서 시간당 공급되는 전기량이 줄어들도록 프로그램을 통해 전류의 공급 형태를 디자인할 수 있다.
한편, 배터리에서 히터로의 전류 공급은 전류계 및 퓨즈와 같은 장치에 의해서 차단될 여지가 있다. 이때 이들은 히터 과열을 방지하는 다중 안전장치의 하나가 될 수 있다.
가령, 히터와 배터리를 연결하는 직렬연결 도선 중에 전류계가 있어서, 전류계가 과전류와 같은 이상 전류를 감지하면 전류계의 신호가 BMS로 전달되고, BMS는 이런 신호를 받으면 콘텍터에 신호를 보내 직렬연결 도선의 전류를 차단할 수 있고, 휴즈는 직렬연결 도선에 과전류가 흐르면 직접 열을 발생시켜 자체가 녹아 도선을 끊어지게 함으로써 과전류를 직접 차단할 수 있다.
또한, 이 실시예에서 히터에는 써멀 프로텍터가 설치되어 배터리의 전기 공급이 이루어지면서 히터 자체의 온도가 지나치게 과열되지 않는 지 확인하게 된다. 가령, 바이메탈 형태의 써멀 프로텍터가 있는 경우, 히터가 과열되어 일정 온도 이상이 되면 과열방지회로를 이루는 써멀 프로텍터 내부의 바이메탈은 변형되어 바이메탈로 이루어진 스위치가 열리게 되고 과열방지회로를 흐르는 전류는 끊어지게 된다.
이런 과열방지회로는 BMS를 거치거나 혹은 직접적으로 콘텍터의 전류 차단 기능을 활성화시킬 수 있다. 가령, 과열방지회로에서의 바이메탈 스위치에 의한 전류 차단이 BMS에 감지되고, 그러면 BMS가 콘텍터에 신호를 주어 배터리에서 히터로 전달되는 전기 에너지를 차단시킬 수 있다.
혹은, 도2에 도시된 것과 같이 과열방지회로는 BMS와 무관하게 직접적으로 콘텍터(202)의 스위칭을 가져오는 것일 수 있다. 이런 경우, 콘텍터 스위칭에 의한 전류 공급 및 차단은 앞서 설명한 바와 같은 BMS에 내장된 프로그램에 의해 단순히 BMS 신호만에 의해서 이루어지는 것이 아니고, 과열방지회로와 관련된 별도 수단, 가령 도시된 콘텍터 동작 코일(201) 가령 솔레노이드 코일 스위치와 같은 수단에 의해서도 이루어질 수 있다.
이런 경우에는, 콘텍터는 솔레노이드 코일에서 발생하는 전자력에 의해 물리적, 기계적으로 스위칭되는 스위치 부분을 가지고 과열방지회로에 흐르는 전류가 바이메탈같은 써멀 프로텍터(205)에 의해 차단되면 솔레노이드 코일의 전자력이 없어지고, 스위치 부분이 가령 탄성 등의 작용으로 변형되면서 열린 상태가 되어 배터리에서 히터(200)로의 전류가 차단될 수 있다.
도3은 본 발명의 히터 시스템을 가지는 전기자동차용 배터리의 일 예를 나타내는 분해사시도로, 배터리와 히터 시스템을 이루는 부분들의 보다 구체적 구성 형태를 예시적으로 나타내고 있다.
여기서 일반적인 형태와 같이 개별 파우치 셀이 결합되어 배터리 모듈을 형성하고, 배터리 모듈들이 하나의 배터리 팩 혹은 서브팩을 형성하는 것이 나타나 있다.
통상 배터리 제작을 위한 에너지를 가지고 있는 충전, 방전이 가능한 최소 구성 단위를 셀이라고 표현하고, 이러한 셀을 결합하는 구성을 통해 원하는 규격의 배터리, 즉, 배터리 팩을 만들게 된다. 여기서는 리튬 이온 폴리머 이차 전지의 일종인 파우치 셀 여러 개를 직렬, 병렬로 연결하여 배터리 팩을 만드는 것으로 한다.
배터리 모듈을 이루기 위해, 개별 파우치 셀의 얇은 주변부 혹은 실링부가 4각 틀 형태로 하나의 개별 프레임을 이루는 좌측 서브프레임 및 우측 서브프레임 사이에 끼워져 고정됨으로써, 개별 프레임은 파우치 셀과 함께 파우치 어셈블리를 이루게 된다. 이때 파우치 어셈블리에서 파우치 셀의 양측 대면적면은 노출되고 파우치 셀의 전극단자는 파우치 셀의 전방 및 후방으로 좌우측 서브프레임 사이의 틈으로 노출된다.
두 개의 파우치 어셈블리 사이에는 열전도성이 우수한 알루미늄 플레이트로 이루어진 히트싱크가 위치하며, 히트싱크는 인접한 두 파우치 어셈블리의 파우치 대면적면(좌우측면)과 접촉하여 열을 교환할 수 있다. 알루미늄 플레이트의 전방 단부는 인접한 두 개별 프레임 사이의 틈새로 전방에 노출되며 히터와의 열교환 효율을 높이기 위한 면적이 확대된 확대부를 가진다.
확대부는 위에서 본 평면도 혹은 수평하게 절단한 평단면도에서 T자형 혹은 L자형으로 이루어질 수 있으며, 확대부는 파우치와 접하는 알루미늄 플레이트의 일부를 절곡하여 형성하거나, 알루미늄 플레이트를 사출성형 할 때 처음부터 그런 형상을 가지도록 형성할 수 있다.
복수 개의 파우치 어셈블리가 대면적면이 서로 마주보도록 좌우 측방으로 배열되고 겹쳐지고, 파우치 어셈블리의 개별 프레임도 복수 개가 좌우 측방으로 배열된 상태에서 개별 프레임에는 이 개별 프레임을 좌우 방향으로 관통하는 관통홀들이 설치되고, 이 홀들을 하나의 긴 볼트가 관통하고 볼트 끝단에는 너트가 채워져 복수 개의 파우치 어셈블리가 도3 내의 오른쪽에 있는 첫번째 화살표로 표시한 것과 같이 배터리 모듈을 형성하게 된다.
여기서 배터리 모듈을 보호하기 위해 복수의 배열된 파우치 어셈블리의 좌측단과 우측단에는 플레이트 형태의 보호패널이 설치된다. 보호패널에도 개별 프레임의 관통홀과 정렬되는 관통홀이 있어서 볼트 및 너트로 복수의 파우치 어셈블리와 함께 결합될 수 있다.
파우치셀의 전극 단자는 여기서 명확히 도시되지 않지만, 일반 도선이나 FPCB 형태의 도선을 통해 BMS와의 커넥터이면서 회로적으로 크게 BMS의 일부를 이룬다고 볼 수 있는 배터리 모듈용 회로부와 연결된다. 배터리 모듈용 회로부는 배터리 모듈의 상부에서 복수의 파우치 어셈블리들을 전체적으로 혹은 일부에서 커버하는 커버 플레이트에 설치될 수 있다.
배터리 모듈의 전방면은 복수의 파우치 어셈블리에서 개별 프레임 사이로 노출된 복수의 히트 싱크(300: 알미늄 플레이트)의 확대부가 서로 나란히 위치하며, 여기에 써멀 패드(301)가 결합된다.
이렇게 형성된 두 개의 배터리 모듈은 써멀 패드(301)가 결합된 상태에서 도3 왼쪽의 두번째 화살표로 표시한 것과 같이 용기형태의 케이스에 넣어지거나, 외장을 이룰 별도의 보호용 혹은 고정용 브라켓이나 패널, 프레임과 결합되어 배터리 팩을 형성하게 된다. 그 과정에서 배터리의 전극 단자는 잘 알려진 바와 같이 직렬 및 병렬로 집합적으로 배터리 팩의 외부 공급용 전기단자, BMS의 전기 단자와 연결되고, 전기 단자를 통해 히터와도 연결된다.
배터리 팩을 형성하는 과정에서 써멀 패드가 결합된 배터리 모듈의 전방면에는 히터, 더욱 상세하게는 히터 시스템을 이루는 가열체가 포함된 히터 플레이트(302)가 밀접 접촉하도록 결합될 수 있다.
써멀 패드(301)의 사용과 관련하여, 대개 히터 플레이트(302)는 배터리 전류를 주울열로 전환하여 열을 내는 발열체를 포함한 열전도성 강체로 이루어진 것이며, 히트 싱크를 이루는 알루미늄 플레이트의 확대부도 강체이므로, 양 접촉면이 매우 고르지 않으면 접촉시 들뜨는 부분이 생기기 쉽고, 이런 부분에서는 미세한 공기층이 형성되어 열전도 효율을 떨어뜨리게 된다.
그러므로 확대부와 히터 플레이트 사이에는 약간의 압력이 가해질 때 부분적으로 변형되면서 틈을 매워 둘 사이의 열전도를 쉽게 하도록 밀착성을 보장하는 연질의 써멀 패드가 사용되는 것이 바람직하다. 써멀 패드로는 일반적으로 열전도성이 우수한 실리콘 패드를 사용할 수 있으며, 여기서 실리콘 패드는 점착성을 가져 별도 수단 없이도 히터 플레이트와 확대부에 잘 결합될 수 있다.
써멀 패드는 열폭주를 방지하는 작용도 한다. 즉, 히터가 열전달 물질(히트 싱크)에 접촉되지 않으면 히터 자체의 열폭주로 위험을 초래하기 때문에 고르지 못한 열전달 금속 물질의 면에는 유연하고 열전달 능력이 우수한 실리콘 재질의 써멀 패드(301)를 적용하여 열폭주를 방지한다.
배터리 모듈의 후방면도 전방면과 같은 히터와 연결된 구성을 가질 수도 있고, 배터리가 가열보다는 냉각이 필요한 경우에 대비하여 히터 플레이트 대신에 별도의 열전도체 냉각 플레이트를 설치하여 히트 싱트와 써멀 패드를 통해 접하도록 할 수 있다. 냉각 플레이트는 냉각 시스템의 일부를 이루며 냉각 효율을 높이기 위한 라디에이터 장치와 연결될 수 있고, 직접 냉각팬에 의한 냉각풍이나 순환하는 냉각수에 의해 냉각되는 것일 수 있다.
도 4를 참조하면, 히터 플레이트의 일 면은 열이 발생하는 발열체 부착면(400)이 되고, 반대쪽 일면(발열체 부착 반대면: 401)에는 열전달 방지 및 진동에 의한 손상 방지용 스폰지와 같은 우레탄 폼 등의 합성수지 폼 층이 설치된다. 반대쪽 일면에는 전원 공급용 와이어 커넥터 및 써멀 프로텍터(403)가 설치된다. 이때 써멀 프로텍터가 설치되는 곳에는 이미 실리콘 소재가 덮여있기 때문에 합성수지 폼은 설치되지 않는다. 히터 플레이트에는 히터 전원인 배터리와 히터 발열체의 연결을 위한 전력용 와이어와 써멀 프로텍터(403)로 연결되는 신호용 와이어(402)가 설치된다.
여기서의 히터 시스템의 동작 방법에 대하여 예시를 통해 좀 더 설명하면, 히터는 고정 저항값을 가지고 있는 직류 저항 히터로 저항에 인가되는 배터리 전력(배터리 전압 * 배터리에 흐르는 전류)에 따라 히터 전력이 가변된다. 히터 전력은 사용자 요구 조건, 사용된 전지의 특성에 따라 정해진다.
가령, 사용자는 원하는 배터리 출력을 위해 필요한 배터리의 최소 온도까지 가열하는데 걸리는 특정 시간을 요구할 것이다.
배터리에 히터 부착하여 직접 열전달하는 방식은 히터의 열폭주에 의한 배터리 화재의 위험성이 존재하므로, 히터를 제어할 수 있는 전기 부품 구성 및 제어 회로 BMS(Battery Management System)의 역할이 중요하다.
또한 히터의 열을 배터리에 효과적으로 손실없이 전달할 수 있는 제품 설계 및 적용 방법 또한 중요하다.
따라서 본 발명의 도1 및 도2를 통해 살펴본 것과 같은 히터 시스템을 적용할 수 있으며, 이 실시예를 통해 동작 방법을 앞선 설명과 다른 측면에서 좀 더 설명하면, 히터 시스템은 배터리 전원을 이용하여 배터리의 온도를 상승시키는 전기 직류 히터(히터 플레이트), 히터를 제어하는 스위칭 소자(콘텍터), 히터 전류를 센싱하는 전류 센싱 소자(전류센서), 히터의 열 전달 효율을 높위기 위한 써멀 패드와 열전도성 금속재질로 제조된 알루미늄 플레이트인 히트싱크, 배터리를 구성하고 있는 최소 단위인 셀의 온도를 센싱하는 온도센서, 온도센서를 통하여 히터 가동 및 중지를 제어하는 BMS(Battery Management System)를 구비하여 이루어진다.
또한 히터는 그 자체에 일정 온도 이상되면 히터 동작을 차단하는 써멀 프로텍터라는 온도 조절 소자를 내장하고 있다.
BMS(103)는 자동차의 키(key)를 온(on)하면 동작되고, 이후 배터리의 모든 상태를 진단하고 사용자의 요구를 진행할 준비를 하게 된다. 이 때 배터리를 구성하고 있는 모든 셀의 온도도 실시간으로 BMS에 의해 감시된다.
그리고 모든 셀 중에서 셀 제조사의 보증 온도 미만이 되는 셀이 존재한다면, BMS는 히터를 동작시키고 그 모든 셀이 보증 온도 이상이 될 때 히터를 중지시킨다.
히터는 동작 전원을 공급하는 라인(전력용 와이어)과 특정 온도 도달 시 차단하여 온도를 조절하는 써멀 프로텍터 라인(과열방지회로 라인, 신호용 와이어의 일부)을 출력으로 가지고 있다. 전원을 공급하는 라인은 히터 구동용 스위치 혹은 콘텍터(102)를 이용하여 연결 및 차단되고, 이는 BMS에 의해 제어된다.
써멀 프로텍터 라인은 히터 구동용 스위치인 콘택터의 콘텍터 구동 코일(201)에 연결되어 BMS 고장 상태에서도 물리적으로 히터의 온도가 제한 온도 이상이 되면 동작을 차단시킬 수 있다. 또한 BMS는 전류 측정 센서(104)를 통해 히터 전원 라인으로 입력되는 전류를 상시 감시하며, 제한 조건을 벗어날 경우에 히터 동작을 중지시킨다. 또한 히터 전원 라인에는 별도의 DC 퓨즈(101)가 존재하여 BMS가 제 역할을 하지 못할 경우에 물리적으로 히터 동작을 중지 시킬 수 있다. 히터 동작 시퀀스에 대해 이하에 좀 더 자세하게 설명한다.
BMS는 모든 전지 중에서 하나의 전지라도 온도가 20도씨 이상이 되면, 히터 동작을 중지시킨다. 이는 전지의 온도 불균형에 의해 계속적으로 히터가 동작되는 것을 방지해 준다. BMS는 히터에 입력되는 전류가 제한값 이상이 되면, 히터 동작을 중지시킨다. BMS는 히터 동작 시간이 제한값 이상이 되면, 히터 동작을 중지시킨다. 히터는 BMS 내부 알고리즘 혹은 프로그램에 의해 자동으로 동작된다.
도 5는 히터 시스템 동작의 참고가 되는 프로세스 혹은 알고리즘을 나타내는 흐름도이다. 여기서는 히터 구동을 위한 외부 전원 입력용 커넥터가 연결되고 히터 동작시키라는 명령 메시지가 수신되었는지를 판단하는 단계(S500)부터 시작된다. 그러나 이 단계는 외부 전원을 사용할 경우에만 사용되는 옵션 사항으로 본원과 같이 배터리 자체 전원을 사용할 경우에는 필요치 않다.
다음 단계로 배터리를 구성하고 있는 모든 전지의 온도를 감지하고, 히터 동작 조건에 해당되는지 판단한다.(S501)
그리고 히터 동작 조건에 해당하면 히터를 동작 시키기 위해 히터 구동용 전원 스위치(콘텍터)를 켠다(S502).
이 후에 전류 센서를 통해 히터에 입력되는 전류가 제한값을 초과하는지 판단한다(S503).
그리고 전류가 정상적 범위인 경우 모든 전지의 셀 온도가 히터 동작 해제 조건에 도달하였는지를 판단하고(S504), 조건에 도달하였다면 히터 동작을 중지한다.(S505) 물론, 전류가 정상 범위를 벗어나면 셀 온도 판단 없이 BMS에서 전류 흐름을 차단, 제어할 수 있다.
이상에서는 한정된 실시예를 통해 본 발명을 설명하고 있으나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시적으로 설명된 것일 뿐 본원 발명은 이들 특정의 실시예에 한정되지 아니한다.
따라서, 당해 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명을 토대로 다양한 변경이나 응용예를 실시할 수 있을 것이며 이러한 변형례나 응용예는 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (9)

  1. 전기자동차 동력원을 이루는 배터리,
    상기 배터리와 직렬로 전기접속되는 히터,
    상기 배터리와 상기 히터 사이의 도선 중에 설치되어 스위칭 기능을 담당하는 콘텍터,
    상기 배터리와 결합되어 상기 배터리의 동작을 조절하며 상기 콘텍터에 스위칭 신호를 줄 수 있는 BMS(배터리 관리 시스템),
    상기 배터리에서 온도를 감지하여 온도 신호를 상기 BMS에 전달할 수 있는 온도센서를 구비하여 이루어지는 전기자동차용 배터리 가열을 위한 히터 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서
    상기 히터의 과열을 감지하여 상기 히터의 동작을 차단하는 써멀 프로텍터(thermal protector)가 더 구비되어 이루어지는 전기자동차용 배터리 가열을 위한 히터 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리와 상기 히터 사이의 도선 일부에 설치되어 상기 BMS에 전류량에 따른 신호를 전달하는 전류 센서 및 퓨즈가 직렬로 더 구비되어 이루어지는 전기자동차용 배터리 가열을 위한 히터 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 콘텍터는 상기 히터에 설치된 온도조절기로서 바이메탈 스위치가 일정 온도 이하에서는 상시적으로 닫히도록 구성되어,
    상기 바이메탈 스위치를 지나는 전류 신호가 상기 콘텍터에 직접 스위칭 작용을 하거나,
    상기 전류 신호를 흘려 상기 BMS가 상기 콘텍터를 닫힌 상태로 유지하도록 하고, 일정 온도 초과시에는 상기 바이메탈 스위치가 열려 상기 BMS가 상기 콘텍터를 열린 상태로 전환하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 전기자동차용 배터리 가열을 위한 히터 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 콘텍터에 직접 스위칭 작용을 하기 위해 상기 콘텍터는 상기 전기신호를 받아 기계적으로 동작하는 솔레노이드 코일 스위치를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 배터리 가열을 위한 히터 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 콘텍터가 상기 BMS에서 신호를 받아 상기 배터리에서 상기 히터로 가는 전류에 대한 스위칭을 실시할 때
    상기 스위칭 신호는 상기 BMS에 내장된 프로그램에 의해 이루어지고,
    상기 프로그램은 상기 온도센서가 감지한 온도에 따라 진행되는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 배터리 가열을 위한 히터 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 스위칭 신호는 같은 크기의 펄스 형태로 이루어지고 듀티 사이클(duty cycle: 사용율)에 따라 전달되는 전기량을 조절하도록 만들어지는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 배터리 가열을 위한 히터 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항의 전기자동차용 배터리 가열을 위한 히터 시스템을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 배터리.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 배터리는 파우치 셀 복수 개 사이사이에 열전도판이 배치되고 상기 열전도판 각각의 적어도 일 부분은 상기 히터에 닿아 상기 히터의 열을 상기 파우치 셀에 전달하도록 이루어지는 배터리 모듈을 구비하여 이루어지고,
    상기 히터는 복수의 상기 파우치 셀과 서로 겹치면서 나란히 설치되는 복수의 상기 열전도판이 함께 닿을 수 있는 히터 플레이트(열판)의 형태로 이루어지고,
    상기 히터 플레이트에는 상기 열전도판과 닿는 표면에 밀착을 위한 매개체인 써멀 패드로서 열전도체인 실리콘 열전도 필름 혹은 플레이트가 설치되고,
    상기 히터 플레이트의 상기 열전도판과 닿는 면의 반대면에는 외부로의 열 방출을 막는 보온재층이 설치된 것을 특징으로 하는 전기자동차용 배터리.
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