배터리보온장치가 포함된 고고도 전기동력 무인기용 배터리팩{Battery pack for the high altitude electric powered and remotely piloted vehicle including apparatus for warming the battery}
본 발명은 배터리팩에 관한 것으로, 특히, 고고도의 환경에서 동작하는 전기동력 무인기에서 사용하는 배터리팩의 전체의 온도를 제어하는 배터리보온장치를 내장한 배터리보온장치가 포함된 고고도 전기동력 무인기용 배터리 팩에 관한 것이다.
축전지 또는 2차 전지라고도 하는 배터리(battery)는 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 기구이다. 화학물질인 납을 이용하는 납 축전지, 전해액으로 수산화나트륨을 사용하는 알칼리 축전지 및 극판 인 납 칼슘으로 구성되어 있어, 가스의 발생이 적고 전해액 보충이 필요 없으며 자기 방전이 적은 MF 축전지 등이 사용된다. 이러한 축전지 즉 배터리는 하이브리드 자동차, 전기자동차는 물론 고고도에서 이동하는 무인기의 경우 주 동력원으로 사용된다. 배터리가 정상적으로 동작하고 있을 때 발생하는 열을 냉각시키기 위한 냉각시스템이 설치되는 것이 일반적인데, 냉각시스템이 추가로 필요함에 따라 배터리 팩의 무게가 증가하게 되는 문제가 있다. 배터리가 작동하는 공간의 주변 온도가 낮을 경우에는 냉각시스템이 불필요할 수도 있다. 이와는 반대로 최근 가장 많이 사용되는 리튬이온 배터리는 온도가 낮을 수록 방전효율이 낮아지는 단점이 있다. 특히 약 -70℃의 초저온상태인 지상으로부터 약 20㎞ 정도의 높이의 고고도에서 이동하는 전기동력 무인기는 장착된 리튬이온 배터리의 전력을 주전원으로 동작하게 되는데, 이러한 주변 온도에서는 배터리 팩의 성능은 급격하게 저하될 것은 분명하다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 고고도에서 동작하는 무인기에서 사용되는 리튬이온 배터리팩의 온도를 제어하는 배터리보온장치가 포함된 고고도 전기동력 무인기용 배터리팩을 제공하는 것에 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리보온장치가 포함된 고고도 전기동력 무인기용 배터리팩은, 고고도에서 동작하는 무인기에 전기동력을 제공하는 배터리보온장치가 포함된 것으로, 배터리셀, 배터리관리시스템 및 배터리보온장치를 포함한다. 상기 배터리관리시스템은 상기 배터리셀의 동작을 제어한다. 상기 배터리보온장치는 상기 배터리셀의 온도를 제어한다. 특히 상기 상기 배터리보온장치는, 상기 배터리팩의 외부온도, 상기 배터리셀의 온도 및 배터리관리시스템의 온도 중 적어도 하나를 측정하는 적어도 하나의 온도센서, 상기 배터리셀에 열에너지를 제공하는 발열체 및 상기 온도센서의 측정결과를 이용하여 상기 발열체의 온도를 제어하는 발열제어장치를 포함한다.
배터리보온장치가 포함된 배터리팩은 냉각시스템이 배제되어 있어 가벼우면서도 초저온 상태에서 동작하는 전기동력을 이용하는 모든 장치에서도 최대한의 효율을 유지하면서 사용될 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 배터리보온장치가 포함된 고고도 전기동력 무인기용 배터리팩을 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 배터리보온장치가 포함된 고고도 전기동력 무인기용의 배치도이다.
도 3은 본 발명에서 사용하는 시트형태의 발열체의 예를 나타낸다.
도 4는 배터리팩의 환경시험결과를 나타낸다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 예시적인 실시 예를 설명하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다. 이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다. 도 1은 본 발명에 따른 배터리보온장치가 포함된 고고도 전기동력 무인기용 배터리팩을 나타낸다. 도 2는 본 발명에 따른 배터리보온장치가 포함된 고고도 전기동력 무인기용의 배치도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 고고도 전기동력 무인기용 배터리팩(100)은 고고도에서 동작하는 무인기에 전기동력을 제공하는 것으로, 배터리팩 케이스(110), 단열재(120), 배터리셀(130), 온도센서(140), 발열체(150), 발열제어장치(160) 및 배터리관리시스템(170)을 포함한다. 배터리셀(130)은 양극판과 음금판으로 조합되며 하나의 격실로 된 케이스 내에서 전해액 속에 담가 다른 셀과 분리되어 있는 것으로, 본 발명에서는 리튬이온 배터리셀을 사용할 것을 제안한다. 배터리관리시스템(170)는 배터리셀(130)의 동작을 제어한다. 배터리보온장치는 단열재(120), 온도센서(140), 발열체(150) 및 발열제어장치(160)를 하나로 묶은 것으로 배터리셀의 온도를 제어한다. 온도센서(140)는 배터리팩(130)의 외부의 온도, 배터리셀(130)의 온도 및 배터리관리시스템(170)의 온도 중 적어도 하나를 측정한다. 측정 대상에 따라 온도센서가 각각 구비되는 것이 바람직하다. 발열체(150)는 배터리셀(130)에 열에너지를 제공하여 배터리셀(130)의 온도가 낮아지는 것을 최소한으로 억제하며, 배터리셀(130) 및 배터리관리시스템(170) 전체를 쉽게 덮을 수 있는 발열시트 형태를 가지는 것이 바람직하다. 발열제어장치(160)는 온도센서(140)로부터 측정된 대상에 대한 온도를 이용하여 발열체(150)의 온도를 제어한다. 발열제어장치(160)는, 배터리셀(130)의 온도와 배터리관리시스템(170)의 온도를 이용하여, 배터리셀(130)의 온도조절과 발열체(150)의 발열에 사용되는 에너지와의 상관관계에 따라 발열체(150)의 온도를 결정한다. 예를 들면, 배터리셀(130)이 작동효율을 증가시킬 때 얻는 이득과 발열체(150)의 온도를 증가시킬 때의 손실을 비교하여, 배터리셀(130)의 온도조절을 위한 발열체(150)의 온도를 일정한 값으로 유지 또는 감소시킨다는 것이다. 단열재(120)는 발열체(130) 및 배터리관리시스템(170)의 열이 외부로 유출되는 것을 최소한으로 억제하도록 발열체(130) 및 배터리관리시스템(170)을 감싼다. 배터리팩 케이스(110)는 배터리셀(130), 배터리관리시스템(170), 배터리보온장치(160) 및 단열재(120)의 외부를 감싼다.
도 3은 본 발명에서 사용하는 시트형태의 발열체의 예를 나타낸다. 도 3을 참조하면, 발열체(150)는 열선이 아니라 시트(sheet) 형태로 제작되어 있어, 배터리셀(130)과의 접촉면적을 최대한 넓게 할 수 있기 때문에, 발열체(150)로부터 배터리셀(130)로의 열 전달을 최대한 크게할 수 있다. 또한 배터리셀(130)의 가열과정에서 발생할 수 있는 배터리셀(130)의 부분적인 과열을 방지할 수 있을 뿐만아니라, 가열이 진행되는 도중 또는 가열이 완료된 후 배터리셀(130) 전체의 온도구배(Temperature gradient)를 일정 범위이내로 유지할 수 있는 장점이 있다. 발열시트의 두께가 얇을 경우 배터리셀 사이에도 설치가 가능하며 배터리팩 안쪽을 골고루 가열시키는 것이 가능하게 된다.
도 4는 배터리팩의 환경시험결과를 나타낸다. 도 4를 참조하면, 배터리보온장치를 사용하지 않은 종래의 배터리팩과 배터리보온장치를 사용한 본 발명에 따른 배터리팩을 -40℃의 환경에서 동작시킨 결과, 배터리보온장치를 사용하지 않은 종래의 배터리팩을 구성하는 배터리셀 및 배터리관리시스템의 온도는 -16.9℃와 -23.1℃로 측정되었는데, 배터리보온장치를 사용한 본 발명의 배터리팩을 구성하는 배터리셀 및 배터리관리시스템의 온도는 -11.8℃와 -17.6℃로 측정되었다. 실험결과 종래의 배터리팩에 비해 본 발명의 배터리팩의 온도저하가 상대적으로 적다는 것을 알 수 있다.
본 발명에서는 리튬이온 배터리팩에 발열가열장치를 내장시켜, 배터리팩(100)의 온도를 일정 범위 안으로 유지하도록 하는 것으로, -70℃의 초저온 상태에서 배터리셀(130) 뿐만아니라, 배터리관리시스템(170) 까지도 온도를 유지하도록 한다. 일반적인 배터리팩은 방전시 발생하는 열을 냉각시키기 위한 냉각시스템이 별도로 필요하지만, 본 발명에 따른 배터리팩(100)은 상술한 바와 같이 -70℃의 초저온 상태에서 동작하므로 이에 따른 냉각시스템은 불필요하므로, 본 발명에서는 제외되었다.
이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방 가능함은 명백한 사실이다.
110: 배터리팩 케이스 120: 단열재
130: 배터리셀 140: 온도센서
150: 발열체 160: 발열제어장치
170: 배터리관리시스템 |
