KR101367212B1 - 자체 발열 기능 판형 열교환기를 이용한 전기차 냉난방 및 배터리 온도관리 시스템 그리고 그 운용방법 - Google Patents

자체 발열 기능 판형 열교환기를 이용한 전기차 냉난방 및 배터리 온도관리 시스템 그리고 그 운용방법 Download PDF

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Abstract

자체 발열 기능 판형 열교환기를 이용한 전기차 냉난방 및 배터리 온도관리 시스템을 개시한다. 본 발명의 일 측면에 따른 냉난방 및 배터리 온도관리 시스템은, 자체 발열 가능하며 열매체(냉각수)와 냉매가 서로 다른 경로로 도입되고 열교환되는 판형 열교환기와, 열매체를 이용해 배터리를 예열 또는 냉각시키는 배터리 열교환기를 포함하고, 판형 열교환기는 별도의 냉매 순환라인을 통해 콘덴서(응축기)에 병렬로 연결되는 동시에, 워터펌프가 설치된 열매체 순환라인을 통해 상기 배터리 열교환기와 상호 연결되어 열매체가 순환될 수 있으며, 열매체 순환라인은 증발기가 내설된 인테이크 덕트 내부를 경유하되, 인테이크 덕트 내부를 경유하는 열매체 순환라인에는 히터 코어와 제1 보조 열교환기가 설치되고, 배터리 열교환기 입구와 출구 측 열매체 순환라인을 연결하는 분기라인에는 증발기를 흘러나온 냉매를 이용해 열매체(냉각수)를 냉각시키는 제2 보조 열교환기가 마련되는 것을 구성의 요지로 한다.

Description

자체 발열 기능 판형 열교환기를 이용한 전기차 냉난방 및 배터리 온도관리 시스템 그리고 그 운용방법{Electric vehicle HVAC and battery temperature management system using the self heating plate heat exchanger and its operating method}
본 발명은 전기차 실내 냉난방 및 배터리 온도관리를 위한 시스템에 관한 것으로, 상세하게는 에너지의 보다 효율적 활용의 도모를 위해 실내 냉난방과 배터리의 온도관리를 동시에 행할 수 있도록 시스템을 구성한 자체 발열 기능 판형 열교환기를 이용한 전기차 냉난방 및 배터리 온도관리 시스템 그리고 그 운용방법에 관한 것이다.
최근 환경친화적 기술의 구현 및 에너지 고갈 등의 문제해결을 사회적 이슈로 대두되고 있는 것이 전기 자동차이다. 전기 자동차는 배터리로부터 전기를 공급받아 동력을 출력하는 모터를 이용하여 작동하고, 따라서 이산화탄소의 배출이 없고, 소음이 아주 작으며, 모터의 에너지효율은 엔진의 에너지효율보다 높은 장점이 있어 친환경 자동차로 각광받고 있다.
이런 전기 자동차를 구현함에 있어 핵심이 배터리 모듈과 관련한 기술이며, 최근 배터리의 경량, 소형화, 짧은 충전시간 등에 대한 연구가 활발히 이루어 지고 있다. 배터리 모듈은 최적의 온도환경에서 사용하여야 최적의 성능과 긴 수명을 유지할 수 있다. 그러나 구동 중 발생하는 열과 외부의 온도변화에 의해 최적의 온도환경에서 사용하기 어렵다.
배터리 모듈의 최적의 온도환경 유지를 위해 종래에는, 배터리 모듈 온도조절을 위한 냉난방 시스템을 차량 실내 공조를 위한 냉난방 시스템과는 별도로 운용하는 기술을 채택하고 있다. 즉, 독립된 2개의 냉난방 시스템을 구축하여 하나는 실내 냉난방에 사용하고, 다른 하나는 배터리 모듈 온도조절을 위한 용도로 활용하고 있는 것이다.
이처럼 두 개의 냉난방 시스템을 독립적으로 운영하는 것은 배터리 모듈이 최적의 성능 발휘를 위한 온도환경을 용이하게 구현할 수 있다는 측면에서 유리한 이점이 있다. 그러나 차량의 전체적인 전력 소비율이 현저히 커져 전체적으로 에너지 효율이 크게 떨어지고, 이 때문에 1회 충전으로 주행할 수 있는 거리가 크게 줄어드는 단점이 있다.
대한민국 특허공개 제2011-0117598호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 하나의 시스템으로 실내 냉난방과 함께 배터리 온도조절을 동시에 구현할 수 있으며, 따라서 에너지의 보다 효율적 활용을 도모하고 에너지 절감을 구현할 수 있는 자체 발열 기능 판형 열교환기를 이용한 전기차 냉난방 및 배터리 온도관리 시스템 그리고 그 운용방법을 제공하고자 하는 것이다.
과제 해결을 위한 수단으로서 본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리를 냉각시키거나 예열시키기 위한 전기자동차용 배터리 온도관리 시스템에 있어서, 냉방을 위한 주요기기(압축기, 콘덴서, 팽창밸브, 증발기)와, 자체 발열 가능하며 열매체(냉각수)와 냉매가 서로 다른 경로로 도입되고 열교환되는 판형 열교환기와, 열매체를 이용해 배터리를 예열 또는 냉각시키는 배터리 열교환기를 포함하고, 상기 판형 열교환기는 별도의 냉매 순환라인을 통해 상기 콘덴서(응축기)에 병렬로 연결되는 동시에, 워터펌프가 설치된 열매체 순환라인을 통해 상기 배터리 열교환기와 상호 연결되어 열매체가 순환될 수 있으며, 상기 열매체 순환라인은 증발기가 내설된 인테이크 덕트 내부를 경유하며, 인테이크 덕트 내부를 경유하는 열매체 순환라인에는 히터 코어와 제1 보조 열교환기가 설치되고, 상기 증발기 출구 측 냉매 순환라인과 배터리 열교환기 입구와 출구 측 열매체 순환라인을 연결하는 분기라인이 동시에 연결될 수 있는 위치에 제2 보조 열교환기가 구비되는 것을 특징으로 하는 자체 발열 기능 판형 열교환기를 이용한 전기차 냉난방 및 배터리 온도관리 시스템을 제공한다.
본 실시예에서 상기 판형 열교환기는, 열매체관과 냉매관이 교번 적층된 구성의 두 판상의 열교환체 사이로 판상의 열선히터가 개재된 구성일 수 있다.
또한, 상기 보조 열교환기는 덕트 내 흡기 이동방향을 기준으로 냉매가 순환하고 흡기와 열교환하는 상기 증발기 전방을 경유하는 열매체 순환라인에 연결되고, 상기 히트 코어는 상기 증발기 후방의 공조된 공기가 토출되는 토출댐퍼 측에 근접해서 경유하는 열매체 순환라인에 연결될 수 있다.
그리고, 본 실시예에 적용된 상기 제2 보조 열교환기는, 열매체관 안에 소구경의 냉매관을 삽입하고, 열매체관 내경면에 일정 간격으로 형성한 격벽에 의해 상기 냉매관 바깥쪽에 여러 개의 열매체 이동채널을 형성한 구성으로 이루어져, 상기 냉매관의 안쪽과 바깥쪽의 이동채널에 온도가 서로 다른 냉매와 열매체를 흘려 보내 열교환이 이루어질 수 있도록 한 구성일 수 있다.
또한, 상기 배터리 열교환기는, 나란히 인접 배치된 복수의 배터리 셀 상면에 접촉하는 열매체관과, 상기 복수의 배터리 셀 하면과 접촉하는 하부 열매체관을 포함하고, 열매체가 상부 열매체관으로 들어가서 배터리 사이를 지나 하부 열매체관으로 빠져나올 수 있도록 된 구성일 수 있다.
과제 해결을 위한 수단으로서 본 발명의 다른 측면에 따르면,
ⅰ) 냉방 시스템(압축기-콘덴서-팽창밸브-증발기) 가동 시 증발기에서 흘러 나온 냉매를 이용하여 제2 보조 열교환기를 흐르는 열매체를 냉각시키고, 워터펌프를 이용하여 상기 제2 보조 열교환기와 배터리 열교환기를 포함하는 제1 열매체 순환경로로 냉각된 열매체를 순환시켜 배터리를 냉각시키는 하절기 모드;
ⅱ) 판형 열교환기의 열선히터를 동작시켜 열매체를 가열하고, 워터펌프를 이용하여 상기 판형 열교환기와 배터리 열교환기를 포함하는 제2 열매체 순환경로로 가열된 열매체를 순환시켜 배터리를 예열시키는 동절기모드; 로 구분하여 운용하는 자체 발열 기능 판형 열교환기를 이용한 전기차 냉난방 및 배터리 온도관리 시스템을 제공한다.
이때, 상기 동절기 모드는, 판형 열교환기의 열선히터를 동작시켜 열매체를 가열하고 가열된 열매체를 이용하여 배터리를 빠르게 예열시키는 시동초기 모드; 및 시동초기 모드를 통해 배터리 온도가 설정된 정상범위에 도달하면, 열선히터 동작을 오프(OFF)시키고 압축기-판형 열교환기-팽창밸브-증발기로 이루어진 히트펌프 시스템을 가동시켜, 판형 열교환기에서의 냉매 응축열을 이용해 열매체를 가열하고, 가열된 열매체를 히터 코어로 순환시켜 차량 실내 난방을 하는 동시에 증발기 전방의 제1 보조 열교환기를 통하게 하여 흡기에 대한 보조 난방이 행해지도록 하며, 제1 보조 열교환기 밖으로 빠져 나온 열매체를 이용하여 배터리 온도를 유지 및 관리하는 난방 모드;로 구별될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 여름철에는 차량 냉방과 함께 냉방 후 남는 에너지를 활용하여 열매체를 냉각시켜 배터리 냉각을 구현하고, 겨울철에는 자체 발열 기능 판형 열교환기를 이용한히트펌프식 난방시스템 운용을 통해 열매체를 가열하여 난방과 함께 배터리 예열을 구현하는 것과 같이 시스템 하나로 실내 냉난방과 함께 배터리의 온도를 동시에 관리할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 제2 보조 열교환 또는 제1 보조 열교환기를 이용하여 실내 냉방 또는 난방 후 남아 있는 에너지를 회수하고, 이를 배터리 온도조절 및 차량 난방에 사용함으로써, 에너지의 절감과 에너지 효율의 큰 향상을 기대할 수 있다. 결과적으로, 1회 충전으로 긴 주행이 가능한 전기 자동차를 구현함에 있어 유리한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 자체 발열 기능 판형 열교환기를 이용한 전기차 냉난방 및 배터리 온도관리 시스템의 시스템 구성도.
도 2는 본 발명의 시스템에 적용된 판형 열교환기의 개략 측면도 및 단면도.
도 3은 본 발명의 시스템에 적용된 제2 보조 열교환기의 사시도.
도 4는 하절기 모드에서 냉방 및 배터리 온도관리를 위한 시스템 작동상태도.
도 5는 도 4에 나타난 시스템 작동상태를 개략적으로 도시한 블록도.
도 6은 동절기 모드에서 난방 및 배터리 온도관리를 위한 시스템 작동상태도.
도 7은 도 6에 나타난 시스템 작동상태를 개략적으로 도시한 블록도.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 공지된 구성에 대해서는 그 상세한 설명은 생략하며, 또한 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 소지가 있는 구성에 대해서도 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명과 관련한 자체 발열 기능 판형 열교환기를 이용한 전기차 냉난방 및 배터리 온도관리 시스템은, 여름철 냉매를 이용하여 차량 냉방 구현하는 동시에 배터리를 최적의 성능을 발휘할 수 있는 온도로 냉각시키고, 겨울철 배터리 정상작동을 위한 배터리 예열에 차량 난방용 에너지(가열된 열매체)를 이용할 수 있도록 시스템을 구성하고 있다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 자체 발열 기능 판형 열교환기를 이용한 전기차 냉난방 및 배터리 온도관리 시스템의 시스템 구성도를 나타내고 있다. 이를 참조하여 일 측면에 따른 전기차 냉난방 및 배터리 온도관리 시스템의 전체적인 구성에 대해 먼저 살펴보기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 시스템은, 냉방 구현을 위한 주요기기(압축기, 콘덴서, 팽창밸브, 증발기(24))를 포함한다. 여기에 자체 발열 가능하고 두 유체 간에 열을 주고받을 수 있도록 된 판형 열교환기(10)를 포함하며, 열교환된 열매체(냉각수)를 이용해 배터리 모듈(17, 이하, '배터리'라 약칭 함)을 예열 또는 냉각시키는 배터리 열교환기(16)를 포함한다.
판형 열교환기(10)는 별도의 냉매 순환라인(R2)을 통해 콘덴서(응축기, 20)에 병렬로 연결되며, 동시에 워터펌프(19)가 설치된 열매체 순환라인(L1)을 통해 상기 배터리 열교환기(16)와 상호 연결되어, 열매체 순환라인(L1)을 흐르는 열매체는 상기 판형 열교환기(10)와 배터리 열교환기(16)를 포함하여 열매체 순환라인(L1)이 형성하는 순환경로를 따라 순환될 수 있다.
상기 판형 열교환기(10)는 자체 발열 가능하며 서로 다른 경로 도입된 열매체(냉각수)와 냉매가 상호 열을 교환할 수 있도록, 도 2의 (a)와 (b)를 통해 도시한 개략 측면도 및 단면도와 같이, 열매체관(102)과 냉매관(104)이 교번 적층된 구성의 두 판상의 열교환체(106) 사이로 판상의 열선히터(108)를 개재시킨 구성이 바람직하지만 이에 한정되는 것은 아니다.
판상의 열선히터(108)는 동절기 난방가동 시 배터리(17) 전기에 의해 발열되어 상기 워터펌프(19)가 강제 순환시키는 열매체를 설정온도로 가열하며, 이를 통해 가열된 열매체는 열매체 순환라인(L1)을 통해 공조기를 구성하는 인테이크 덕트(30)에 제공되어 난방용을 활용되고 이후 상기 배터리 열교환기(16)에 배터리(17) 예열용으로 공급된다.
판상의 열선히터(108)로는 온도상승이 빠르고 소비전력이 낮은 티탄산바륨계(系) PTC(Positive Temperature Coefficient) 발열체가 적용된 PTC 히터가 바람직하며, 운전자 조작으로 차량 ECU가 인식한 조작 값 또는 오토모드인 경우 외기온도검출센서(AMB SENSOR)를 통해 획득된 외기온도 검출 결과에 기반한 상기 ECU 제어에 따라 발열량이 조절될 수 있다.
배터리 열교환기(16)는 배터리(17) 표면에 접촉하고 열매체가 순환할 수 있는 순환경로를 내부에 구비하는 공지된 여러 형태의 열교환기 구성일 수 있다. 예를 들어, 복수의 배터리(17) 셀 상면과 하면에 각각 접촉하는 상부와 하부 열매체관(160)(162)을 포함하며, 상부 열매체관(160)으로 흘러 들어온 열매체가 배터리(17) 사이를 지나 하부 열매체관(162)을 통해 흘러 나오는 구성일 수 있다.
열매체는 상기 판형 열교환기(10)와 배터리 열교환기(16) 사이를 순환식으로 연결하는 열매체 순환라인(L1)을 흐르면서 실내 난방 및 배터리(17) 예열 또는 냉각을 위해 기능하며, 열매체 흐름 경로를 형성하는 상기 열매체 순환라인(L1)은 상기 판형 열교환기(10)에서 시작해 증발기(24)가 내설된 인테이크 덕트(30) 내부를 경유하고 배터리 열교환기(16) 거쳐 다시 판형 열교환기(10)로 이어진다.
인테이크 덕트(30) 내부를 경유하는 열매체 순환라인(L1)은 구체적으로, 인테이크 덕트(30) 내 흡기 이동방향을 기준으로 냉매가 순환하고 흡기와 열교환하는 상기 증발기(24)의 후방과 전방을 차례로 경유하도록 구성되며, 증발기(24) 후방과 전방을 경유하는 열매체 순환라인(L1) 각각에는, 난방을 위한 히트 코어 (heater core, 12)와 제1 보조 열교환기(1st Sub heat exchange, 14)가 설치된다.
히트 코어(heater core, 12)는 후방의 공조된 공기가 토출되는 토출댐퍼 측에 근접 설치될 수 있으며, 겨울철 난방 가동 시 상기 히트 코어(12) 내부를 상기 판형 열교환기(10)에 의해 지정된 온도 가열된 열매체가 순환하면서 블로워(32)를 통해 인테이크 덕트(30) 내부로 강제 도입되는 흡기(외기 또는 내기)와 열교환 한다.
제1 보조 열교환기(1st Sub heat exchange, 14)에 의해서는, 상기 히트 코어(12)를 통해 열교환하고 남는 열에너지를 활용하여 흡기를 1차적으로 예열 시키는 작업이 수행된다. 즉, 상기 히트 코어(12)를 통해 흡기를 본격적으로 가열시키기 전 상기 제1 보조 열교환기(14)를 통해 그 흡기에 대한 1차 예열이 행해진다.
한편, 본 발명에 따른 시스템에서, 상기 배터리 열교환기(16) 입구와 출구 측 열매체 순환라인(L1)을 분기라인(L2)이 가로질러 상호 연결하며, 상기 분기라인(L2)에는 여름철 냉방 가동 시 냉매를 이용하여 열매체(냉각수)를 냉각시키고 이를 배터리(17) 냉각용으로 활용할 수 있도록 제2 보조 열교환기(2nd Sub heat exchange, 15)가 마련된다.
제2 보조 열교환기(2nd Sub heat exchange, 15)는 기능상 냉매와 열매체가 상호 열교환 가능하게 접촉할 수 있도록 매개체로서 기능하며, 증발과정 이후 남는 냉매의 증발열을 이용하여 열매체(냉각수)의 온도를 낮출 수 있도록, 냉매 흐름방향을 기준으로 증발기(24) 출구 측 냉매 순환라인(R1)과 상기 분기라인(L2)이 동시에 연결될 수 있는 위치에 설치된다.
제2 보조 열교환기(15)는 바람직하게 도 3과 같이, 열매체관(150) 안에 소구경의 냉매관(152)이 삽입되고, 열매체관(150) 내경면에 일정 간격으로 형성한 격벽(154)에 의해 상기 냉매관(152) 바깥쪽에 여러 개의 열매체 이동채널(156)이 형성된 구성으로 이루어져, 상기 냉매관(152)의 안쪽과 바깥쪽의 이동채널(156)에 온도가 서로 다른 냉매와 열매체를 흘려 열교환이 행해질 수 있도록 된 구성일 수 있다.
도 1에서 도면부호 28과 18은 각각, 냉매 순환라인(R1)과 열매체 순환라인(L1)의 분기지점에 설치되어 유체를 흐름 방향을 단속하는 제1, 제2 3-WAY 밸브로서, 제1 3-WAY 밸브(28)는 콘덴서(20)와 판형 열교환기(10) 측으로 냉매라인이 분기되는 지점에 설치되고, 제2 3-WAY 밸브(18)는 배터리 열교환기(16) 입구 측 열매체 순환라인(L1)과 분기라인(L2)이 분기되는 지점에 설치된다.
본 발명에서 상기 제1 3-WAY 밸브(28)는, 냉방가동 시 압축기에 의해 압축된 냉매가 콘덴서(응축기, 20)로 흘러 들어 갈 수 있도록 유로를 개방하며, 난방이 가동될 때에는 콘덴서(20) 측 유로는 닫고 판형 열교환기(10) 방향 유로를 개방시켜, 상기 압축기를 통해 압축된 냉매가 판형 열교환기(10) 측으로 순환할 수 있도록 유로를 단속한다.
그리고 상기 제2 3-WAY 밸브(18)는, 냉방가동 시 제2 보조 열교환기(15)에서 열교환된 열매체가 배터리 열교환기(16)를 흘러 다시 제2 보조 열교환기(15)로 복귀하는 짧은 경로를 따라 순환할 수 있도록 유로를 단속하고, 난방이 가동될 때에는 제2 보조 열교환기(15) 방향 유로는 닫고 열매체 순환라인(L1)이 형성하는 큰 순환경로를 통해 열매체가 순환할 수 있도록 유로를 단속한다.
도면상 미설명 부호 26은 차량 냉방시스템을 구현하는 필수구성인 압축기이고, 20은 콘덴서(응축기)를 가리키며, 22는 팽창밸브(TXV, Thermal expansion valve)를 가리킨다.
상기한 구성으로 이루어진 본 발명의 일 측면에 따른 전기차 냉난방 및 배터리 온도관리 시스템에 의해 수행되는 차량 냉난방 및 배터리 온도관리를 위한 시스템 작동에 대해 본 발명의 다른 측면에 따른 시스템 운영과 연계하여 살펴보기로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 전기차 냉난방 및 배터리 온도관리 시스템에 의해 행해지는 냉난방 및 배터리 온도관리를 위한 시스템 운영은 크게, 여름철 냉방 가동과 함께 최적의 성능을 발휘할 수 있는 온도로 배터리를 냉각시키는 하절기 모드와, 겨울철 난방 가동과 함께 최적의 성능을 발휘할 수 있는 온도로 배터리(17)를 예열시키는 동절기 모드로 구분될 수 있다.
도 4는 하절기 모드에서 시스템의 작동을 나타낸 도면이며, 도 5는 도 4에 나타난 시스템 작동상태를 개략적으로 도시한 블록도이다. 이를 참조하여 먼저, 여름철 차량 냉방 및 배터리 냉각을 위한 시스템 운영 즉, 하절기 모드에서의 시스템 작동에 대해 살펴보기로 한다.
도 4 내지 도 5를 참조하면, 배터리(17) 온도가 최적의 성능을 발휘할 수 있는 정상온도 보다 높은 하절기 실내 냉방을 위해 냉방 시스템을 가동시키면, 제1 3-WAY 밸브(28)의 유로 단속으로 냉매는 통상의 냉방 사이클(압축-응축-팽창-증발)을 따르도록 흐르며, 제2 3-WAY 밸브(18)의 유로 단속으로 열매체는 제2 보조 열교환기(15)와 배터리 열교환기(16) 사이를 순환한다.
또한, 블로워(32)가 구동하여 흡기(내기 또는 외기)를 인테이크 덕트(30) 내로 도입시켜 실내로 강제 송출한다. 이 과정에서 흡기는 증발기(24)를 경유하는 냉매의 증발로서 차갑게 냉각되고 실내로 송출됨으로써 냉방을 구현하고, 증발기(24)에서 흘러 나온 냉매는 제2 보조 열교환기(15)를 흐르면서 열매체와 다시 한번 열교환하여 열매체를 냉각시킨다.
제2 보조 열교환기(15)에서 냉매와 열교환을 통해 냉각된 열매체는 워터펌프(19)의 작동으로 상기 제2 보조 열교환기(15)에서 배터리 열교환기(16) 측으로 보내지고, 배터리 열교환기(16)를 경유하면서 여름철 정상범위 이상으로 가열된 배터리(17)와 열교환하여 최적의 성능을 발휘할 수 있는 정상온도의 범위로 배터리(17)를 냉각시키게 된다.
도 6과 도 7은 겨울철 난방 및 배터리 온도관리를 위한 시스템 운영 즉, 동절기 모드에서의 시스템 동작을 나타내고 있다.
도 6 내지 도 7을 참조하면, 동절기 배터리 온도가 정상온도 보다 낮은 상태에서 시동을 걸고 난방 시스템을 가동하면, 시동 초기 BMS(배터리 관리시스템) 등에 의해 획득되는 배터리 온도 검출 결과에 기반하여 ECU가 판형 열교환기(10)에 작동신호를 전달하고, ECU에서 전달된 명령 값으로 판형 열교환기(10)의 열선히터(108)가 빠르게 발열한다.
이와 같은 동절기 모드에서는 전술한 하절기 모드와는 다르게, 제1 3-WAY 밸브(28)는 냉매가 상기 판형 열교환기(10)를 경유하여 순환할 수 있도록 유로를 단속하고, 제2 3-WAY 밸브(18)는 제2 열교환기 방향 유로는 닫고 열매체 순환라인(L1)이 형성하는 큰 순환경로를 통해 열매체가 순환할 수 있도록 유로를 단속한다.
따라서, 위와 같이 열선히터(108) 동작으로 판형 열교환기(10)를 순환하면서 빠르게 가열된 열매체는, 워터펌프(19) 작동으로 히트 코어(12)와 제1 보조 열교환기(14)를 차례로 지나 배터리 열교환기(16)로 흘러 들어가며, 배터리 열교환기(16)를 경유하면서 정상범위 이하로 냉각된 배터리(17)와 열교환하여 정상온도의 범위까지 배터리(17)를 예열시키게 된다.
시동 초기 상기와 같은 빠른 배터리(17) 예열로 배터리(17)의 온도가 정상범위에 도달한 후에는, 열선히터(108) 동작이 오프(OFF)되고 압축기-판형 열교환기(10)-팽창밸브-증발기(24)로 이루어진 히트펌프 시스템이 가동하여, 판형 열교환기(10)에서의 냉매 응축열로 열매체가 가열되고, 가열된 열매체가 히트 코어(12)를 순환함으로써 난방이 이루어진다.
그리고 히트 코어(12)를 흐르면서 흡기와 예열시킨 후 남는 열에너지는, 인테이크 덕트(30) 내 증발기(24) 전방으로 배치되는 제1 보조 열교환기(14)를 흐르면서 흡기(내기 또는 외기)를 1차로 예열하는 데에 쓰이게 되고, 제1 보조 열교환기(14) 밖으로 빠져 나온 열매체를 이용하여 배터리(17) 온도를 유지하고 관리하게 되는 것이다.
즉, 히트 코어(12)를 흐르는 뜨거운 열매체를 활용하여 난방용 공기를 생성하고 실내로 강제 도입시킴에 있어, 상기 제1 보조 열교환기(14)를 경유하는 잉여 열에너지를 통해 흡기(내기 또는 외기)에 대한 보조난방이 이루어지고, 이후 남는 에너지를 활용하여 배터리(17)의 온도를 유지 및 관리하므로, 전체 시스템으로 봤을 때 에너지 효율을 크게 증가시킬 수 있다.
이상의 본 발명의 실시예에 따르면, 여름철에는 차량 냉방과 함께 냉방 후 남는 에너지를 활용하여 열매체를 냉각시켜 배터리 냉각을 구현하고, 겨울철에는 자체 발열 기능 판형 열교환기를 이용한히트펌프식 난방시스템 운용을 통해 열매체를 가열하여 난방과 함께 배터리 예열을 구현하는 것과 같이 시스템 하나로 실내 냉난방과 함께 배터리의 온도를 동시에 관리할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 제2 보조 열교환 또는 제1 보조 열교환기를 이용하여 실내 냉방 또는 난방 후 남아 있는 에너지를 회수하고, 이를 배터리 온도조절 및 차량 난방에 사용함으로써, 에너지의 절감과 에너지 효율의 큰 향상을 기대할 수 있다. 결과적으로, 1회 충전으로 긴 주행이 가능한 전기 자동차를 구현함에 있어 유리한 효과가 있다.
이상의 본 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
10 : 판형 열교환기 12 : 히트 코어(heater core)
14 : 제1 보조 열교환기(1st sub heat exchange)
15 : 제2 보조 열교환기(2st sub heat exchange)
16 : 배터리 열교환기
17 : 배터리
18, 28 : 제1, 제2 3-WAY 밸브
19 : 워터펌프(water pump)
20 : 콘덴서(condenser, 응축기) 22 : 팽창밸브(TXV)
24 : 증발기(EVAP) 26 : 압축기
30 : 인테이크 덕트 32 : 블로워(blower)
L1, L2 : 열매체 순환라인
R1, R2 : 냉매 순환라인

Claims (7)

  1. 배터리를 냉각시키거나 예열시키기 위한 전기자동차용 배터리 온도관리 시스템으로서,
    냉방을 위한 주요기기(압축기, 콘덴서, 팽창밸브, 증발기), 자체 발열 가능하며 열매체(냉각수)와 냉매가 서로 다른 경로로 도입되고 열교환되는 판형 열교환기, 그리고 열매체를 이용해 배터리를 예열 또는 냉각시키는 배터리 열교환기를 포함하고,
    상기 판형 열교환기는 별도의 냉매 순환라인을 통해 상기 콘덴서(응축기)에 병렬로 연결되는 동시에, 워터펌프가 설치된 열매체 순환라인을 통해 상기 배터리 열교환기와 상호 연결되어 열매체가 순환될 수 있으며,
    상기 열매체 순환라인은 증발기가 내설된 인테이크 덕트 내부를 경유하며, 인테이크 덕트 내부를 경유하는 열매체 순환라인에는 히터 코어와 제1 보조 열교환기가 설치되고,
    상기 증발기 출구 측 냉매 순환라인과 배터리 열교환기 입구와 출구 측 열매체 순환라인을 연결하는 분기라인이 동시에 연결될 수 있는 위치에 제2 보조 열교환기가 구비되는 것을 특징으로 하는 자체 발열 기능 판형 열교환기를 이용한 전기차 냉난방 및 배터리 온도관리 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 판형 열교환기는,
    열매체관과 냉매관이 교번 적층된 구성의 두 판상의 열교환체 사이로 판상의 열선히터가 개재된 구성인 것을 특징으로 하는 자체 발열 기능 판형 열교환기를 이용한 전기차 냉난방 및 배터리 온도관리 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 보조 열교환기는 덕트 내 흡기 이동방향을 기준으로 냉매가 순환하고 흡기와 열교환하는 상기 증발기 전방을 경유하는 열매체 순환라인에 연결되고,
    히터 코어 코어는 상기 증발기 후방의 공조된 공기가 토출되는 토출댐퍼 측에 근접해서 경유하는 열매체 순환라인에 연결되는 것을 특징으로 하는 자체 발열 기능 판형 열교환기를 이용한 전기차 냉난방 및 배터리 온도관리 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 보조 열교환기는,
    열매체관 안에 소구경의 냉매관을 삽입하고, 열매체관 내경면에 일정 간격으로 형성한 격벽에 의해 상기 냉매관 바깥쪽에 여러 개의 열매체 이동채널을 형성한 구성으로 이루어져,
    상기 냉매관의 안쪽과 바깥쪽의 이동채널에 온도가 서로 다른 냉매와 열매체를 흘려 보내 열교환 하도록 한 것을 특징으로 하는 자체 발열 기능 판형 열교환기를 이용한 전기차 냉난방 및 배터리 온도관리 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 열교환기는,
    나란히 인접 배치된 복수의 배터리 셀 상면에 접촉하는 열매체관과,
    상기 복수의 배터리 셀 하면과 접촉하는 하부 열매체관을 포함하고,
    열매체가 상부 열매체관으로 들어가서 배터리 사이를 지나 하부 열매체관으로 빠져나올 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 자체 발열 기능 판형 열교환기를 이용한 전기차 냉난방 및 배터리 온도관리 시스템.
  6. ⅰ) 냉방 시스템(압축기-콘덴서-팽창밸브-증발기) 가동 시 증발기에서 흘러 나온 냉매를 이용하여 제2 보조 열교환기를 흐르는 열매체를 냉각시키고, 워터펌프를 이용하여 상기 제2 보조 열교환기와 배터리 열교환기를 포함하는 제1 열매체 순환경로로 냉각된 열매체를 순환시켜 배터리를 냉각시키는 하절기 모드;
    ⅱ) 판형 열교환기의 열선히터를 동작시켜 열매체를 가열하고, 워터펌프를 이용하여 상기 판형 열교환기와 배터리 열교환기를 포함하는 제2 열매체 순환경로로 가열된 열매체를 순환시켜 배터리를 예열시키는 동절기모드;
    로 구분하여 운용하는 판형 자체 발열 기능 판형 열교환기를 이용한 전기차 냉난방 및 배터리 온도관리 시스템의 운용방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 동절기 모드는,
    판형 열교환기의 열선히터를 동작시켜 열매체를 가열하고 가열된 열매체를 이용하여 배터리를 빠르게 예열시키는 시동초기 모드; 및
    시동초기 모드를 통해 배터리 온도가 설정된 정상범위에 도달하면, 열선히터 동작을 오프(OFF)시키고 압축기-판형 열교환기-팽창밸브-증발기로 이루어진 히트펌프 시스템을 가동시켜, 판형 열교환기에서의 냉매 응축열을 이용해 열매체를 가열하고, 가열된 열매체를 히터 코어로 순환시켜 차량 실내 난방을 하는 동시에 증발기 전방의 제1 보조 열교환기를 통하게 하여 흡기에 대한 보조 난방이 행해지도록 하며, 제1 보조 열교환기 밖으로 빠져 나온 열매체를 이용하여 배터리 온도를 유지 및 관리하는 난방 모드;로 구별되는 것을 특징으로 하는 자체 발열 기능 판형 열교환기를 이용한 전기차 냉난방 및 배터리 온도관리 시스템의 운용방법.
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