KR102294620B1 - 공조 및 배터리 냉각 장치 및 공조 및 배터리 냉각 장치의 작동 방법 - Google Patents

공조 및 배터리 냉각 장치 및 공조 및 배터리 냉각 장치의 작동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 공조 및 배터리 냉각 장치, 및 공조 및 배터리 냉각 장치의 작동 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 공조 및 배터리 냉각 장치는 A/C 냉각제 회로, E-파워 트레인 냉각제 회로 및 냉동제 회로를 포함하고, A/C 냉각제 회로와 E-파워 트레인 냉각제 회로는 4/2 방향 냉각제 밸브(21)에 의해, A/C 냉각제 회로 및 E-파워 트레인 냉각제 회로가 별도로 구동될 수 있거나 또는 직렬로 관류 가능하게 형성되도록 서로 커플링된다.

Description

공조 및 배터리 냉각 장치 및 공조 및 배터리 냉각 장치의 작동 방법{AIR CONDITIONING AND BATTERY COOLING ARRANGEMENT AND METHOD FOR OPERATING AN AIR CONDITIONING AND BATTERY COOLING ARRANGEMENT}
본 발명은 배터리 전기 차량들용 공조 및 배터리 냉각 장치, 그리고 차량의 공조 및 배터리의 냉각을 위한 방법에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 소위 고전압 배터리 또는 축전지로 작동되는 전기 차량들, 하이브리드 구동기를 포함한 차량들 또는 연료 전지 차량들용 열 시스템의 개념에 관한 것이다. 전술한 고-전동화된 차량들은 종종 전기 에너지 저장기의 고속 충전 가능성을 갖추고 있다. 이는 고속 충전 시 해당 에너지 저장기의 냉각에 대한 요구 증가와 관련된다. 특히, 큰 충전 전류는 높은 전기 손실을 야기하고 결과적으로 에너지 저장기의 강한 가열을 야기한다.
따라서, 배터리의 고속 충전 시, 열 시스템의 특히 높은 냉동 능력이 제공되어야 하고, 이는 배터리 냉각의 종래 시스템에 대한 도전 과제를 의미한다.
배터리 전기 차량들의 운전자 및 사용자의 관점에서, 중요한 단점은 고전압 배터리의 충전 시간이다. 가정용 플러그에서 고전압 배터리의 충전 시간은 예를 들어 8 내지 12 시간이다. 배터리 전기 차량들의 주행 거리는 일반적으로 150 내지 300km이며, 이로 인해 사용자는 종종 차량을 충전해야 한다.
전기 차량들의 수요 증가를 위한 중요한 전제 조건 및 주요 특징은 고전압 배터리의 충전 시간을 상당히 단축하는 것이다. 이러한 이유로, 소위 초고속 충전 기술을 사용하여 배터리의 충전 시간을 약 20분으로 줄인다. 이를 위해 필요한 충전 인프라는 유럽의 주요 도로를 따라 향후 몇 년 동안 더 확장 될 것이다. 소위 “초고속 고출력 충전 네트워크”(Ultra Fast High Power Charging Network)와 같은 기술을 사용하면 최대 350kW의 충전 용량이 제공되므로 배터리의 충전은 기존 주유소에서 연료 소비 차량에 연료를 공급하는 것과 유사하다. 배터리의 고속 충전의 단점은 예를 들어 리튬 이온 배터리가 비교적 높은 전력 밀도를 제공하지만, 특히 높은 주변 온도에서 고전압 배터리의 급격한 과열로 이어질 수 있는 과충전, 심방전 및 높은 충전 전류가 발생하기 쉽다는 것이다. 고전압 배터리의 손상을 방지하기 위해 충전 전자 장치는 전압 및 온도를 포함한 배터리 상태를 모니터링하고 그에 따라 충전 전류를 조정한다.
고속 충전 과정 중에 높은 충전 속도를 보장하기 위해, 고전압 배터리를 10℃ 내지 35 ℃의 특정 온도 범위로 유지하기 위해 고전압 배터리의 능동적인 냉각이 요구된다. 종래 기술에서는, 직접 냉동제 냉각되어 또는 간접 냉각제 냉각되어 차량의 냉각 회로에 연결되어 배터리를 소정의 온도 수준으로 상응하게 유지시키는 고전압 배터리 냉각기가 공지되어 있다. 배터리 셀에 의해 생성된 폐열은 냉각제 또는 냉동제에 의해 흡수되고 주변으로 방출되거나 또는 경우에 따라 캐빈을 난방하는데도 사용된다.
배터리 냉각을 위한 직접 냉동제 냉각식 시스템에서, 냉동제 회로는 저압 측에서 증발기 내의 냉동제의 증발로 인해 고전압 배터리 또는 차량 캐빈의 폐열을 흡수한다. 기화된 냉각제는 압축기에 의해 더 높은 압력 수준으로 압축된다. 압축 작업으로 인해 냉동제에 추가로 열이 공급된다. 압축기의 출구에서, 냉동제가 고온을 가진 고압 가스로서 응축기 내로 들어간다. 응축기 내부에서 이전에 흡수된 기화 및 압축 열은 공냉식 응축기에서는 공기로 또는 예를 들어 수냉식 응축기에서는 냉각제로 전달된다. 냉동제는 팽창기 내로 들어가기 전에 응축기를 액체 형태로 하지만 여전히 고압 상태로 떠난다. 팽창기를 통해 흐르는 냉동제는 고압에서부터 저압 수준으로 감압된다. 따라서, 냉동제의 온도도 폐열을 흡수하기에 적합한 수준으로 떨어진다. 차갑고 액상의 냉동제는 증발기 내로 들어가고 증발하면서 다시 열을 흡수하므로 냉동제 회로가 폐쇄된다.
고속 충전 과정 동안 배터리 셀들에서 약 8kW 내지 12kW의 폐열이 생성된다. 따라서 높은 주변 온도에서, 차량의 공조 시스템의 냉각 능력은 차량 캐빈 공조에 추가해서 셀의 온도를 임계 값 아래로 낮추거나 거기에 유지하기 위해, 생성된 배터리 폐열을 흡수할 수 있어야 한다.
공지된 시스템에서, 공기열 전달기로서 라디에이터라고도 하는 응축기의 성능은 약점이고, 상응하는 치수 설계가 큰 도전 과제이다. 응축기를 통한 직접적인 열 방출 또는 라디에이터를 통한 간접적인 열 방출 시, 차량 캐빈 및 배터리로부터의 전체 증발 열 및 압축기의 압축 열이 주변 공기로 전달된다.
따라서 고속 충전 과정에서 응축기 또는 라디에이터는 차량이 충전 과정 중에 플러그에 연결되어 있는 동안 약 20kW 내지 22kW의 폐열을 공조 시스템으로부터 주변으로 방출할 수 있어야 한다. 그러나, 종래의 응축기 또는 단순한 라디에이터는 차량의 정지 상태에서 공회전시 이러한 출력을 제공할 수 없다. 주행 중 주행 풍에 의해 야기되는 높은 공기 속도에서야 응축기 또는 라디에이터가 필요한 출력을 제공 할 수 있다.
이러한 이유로, 냉동 회로의 열 방출은 배터리 전기 차량의 충전 용량 및 이에 따른 충전 시간에 큰 영향을 미친다.
종래 기술에는 배터리 전기 차량들의 배터리 냉각을 위한 다양한 시스템이 공지되어 있다.
예를 들어, US 2009/0317697 A1에는 바이패스를 포함한 배터리 냉각기 시스템이 개시되어 있고, 이 시스템에서는 다양한 회로 구성 및 바이패스에 의해 차량 캐빈의 공조와 함께 배터리 냉각이 실시된다.
공지된 해결책의 단점은 냉각 능력, 특히 차량의 정지 상태에서 고속 충전시의 냉각 능력이 종래의 시스템에 의해 충분한 정도로 제공될 수 없다는 것이다. 이러한 이유로, 종래 기술에서는 냉각 능력의 부족 문제를 해결하기 위한 다른 접근법도 추구된다.
US 2017/0096073 A1에는, 예를 들어 충전 단계 동안 전기 차량의 열관리 시스템을 포함한 충전 스테이션이 개시된다. 상기 시스템은 충전 과정 동안 배터리를 냉각시키기에 충분한 냉각 능력의 용량이 제공되는 충전 스테이션의 외부 냉각 회로에 배터리 냉각 회로를 포함한 차량을 연결하는 것을 포함한다.
대안으로서, 충전 스테이션의 외부 시스템이 이용 가능하지 않은 경우, 충전 과정 중에 일정 비율의 폐열을 저장할 수 있는 내부의 별도 저장소가 차량에 제공된다.
외부 냉각 능력을 갖는 시스템의 단점은 전기 충전 스테이션에서 추가로 냉각 스테이션도 제공하기 위해 매우 높은 인프라 비용이 필요하다는 것이다.
또한, 차량의 냉각 시스템과 충전을 위한 충전 스테이션의 커플링은 사용자를 위한 추가적인 조작 수고와 결부된다. 전기 연결에 추가하여, 유체 연결의 생성에 의한 시스템의 추가 커플링은 배터리의 충전 과정을 위한 전기 연결보다 경우에 따라 기술적으로도 더 복잡하게 보장될 수 있다.
본 발명의 과제는 에너지 저장기에 대한 증가하는 요구에 따라 수요에 맞게 차량 내의 에너지 저장기를 탑재된 공조 수단들에 의해 냉각할 수 있는 것이다.
특히 차량 정지 상태에서 고속 충전 시 높은 냉각 능력을 제공할 수 있고 또한 차량 공조 시스템에 대한 전형적인 요구 사항들을 충족시킬 수 있는 시스템이 제공되어야 한다.
상기 과제는 독립 청구항들의 대상들에 의해 해결된다. 실시 예들은 종속 청구항들에 제시된다.
우선, 냉각 능력 확장의 문제를 해결하기 위한 몇 가지 접근법이 있다. 하나의 접근법은 차량의 정지 상태에서 응축기 또는 라디에이터의 출력을 증가시키는 것이다. 이를 위해, 응축기 또는 라디에이터의 단부면이 커질 수 있다. 다른 관점은 충전 과정 동안 일정 양의 열을 흡수할 수 있는 열 저장기를 제공하는 것이다. 끝으로 부족한 주행 풍을 보상 또는 대체하기 위해 고출력의 팬들이 정지 상태에서 라디에이터 내의 공기 량을 증가시키기 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 개념에 따라, 상기 과제는 특정 작동 조건 및 파라 미터 구성에 대한 부분 시스템들의 연결 및 조합에 의해 주변 공기로의 열 전달 용량을 증가시킴으로써 달성되고, 열 관리 시스템의 개별 부분 시스템들은 모듈식으로 그리고 필요에 따라 가변적으로 서로 연결 또는 분리되게 구현된다.
본 발명의 과제는 특히 A/C 냉각제 회로, E-파워 트레인 냉각제 회로 및 냉동제 회로를 포함하는 공조 및 배터리 냉각 장치에 의해 해결되고, A/C 냉각제 회로 및 E-파워 트레인 냉각제 회로는 4/2 방향 냉각제 밸브에 의해, A/C 냉각제 회로 및 E-파워 트레인 냉각제 회로가 별도로 작동될 수 있거나 또는 직렬로 관류될 수 있게 설계되도록 서로 커플링된다.
또한, A/C 냉각제 회로는 주변 공기로의 열 방출을 위한 적어도 하나의 A/C 냉각제 라디에이터, 냉각제 펌프 및 응축기를 포함하고, 이들을 통해 A/C 냉각제 회로가 냉동제 회로와 열적으로 연결된다.
E-파워 트레인 냉각제 회로는 적어도 하나의 배터리 냉각기, 냉각제 펌프, 주변 공기로의 열 방출을 위한 파워 트레인 냉각제 라디에이터 및 칠러를 포함하고, 이들을 통해 E-파워 트레인 냉각제 회로가 냉동제 회로와 열적으로 연결된다.
냉동제 회로는 적어도 하나의 압축기, 응축기, 주변 공기로의 열 방출 또는 주변 공기로부터의 열 흡수를 위한 주변 열 교환기, 팽창 기관 및 칠러를 포함한다.
A/C 냉각제 회로는 베이스 라인 내에 응축기 및 냉각제 펌프를 포함한다. 베이스 라인은 2 개의 부분 라인들로 분할되고, 상기 부분 라인들은 선택적으로 또는 누적적으로 함께 냉각제에 의해 관류될 수 있다. 하나의 부분 라인은 A/C 냉각제 라디에이터 및 4/2 방향 냉각제 밸브를 포함하고, 다른 부분 라인은 차량 공조 시스템의 난방 열 교환기를 포함한다. 부분 라인들은 응축기 전방에서 다시 함께 안내된다. A/C 냉각제 회로는 응축기를 통해 냉동제 회로에 연결된다.
E 파워 트레인 냉각제 회로는 서로 접속 가능한 다수의 부분 라인들을 포함한다. 형성될 2 개의 부분 회로들을 통한 냉각제의 독립적인 관류를 가능하게 하는 2 개의 냉각제 펌프들이 제공된다. 하나의 부분 라인은 냉각제 펌프를 구비한 E-파워 트레인의 구성 요소들에 의해 형성된다. 다른 부분 라인은 다른 냉각제 펌프, 냉각제 히터 및 배터리 냉각기에 의해 형성되고, 배터리 냉각기를 위한 바이패스가 추가로 제공된다. 전술한 부분 라인은 먼저 언급된 부분 라인에 대해 병렬로 구현된다. 다른 병렬의 부분 라인은 칠러를 포함한다. 끝으로, 파워 트레인 냉각제 라디에이터 및 4/2 방향 냉각제 밸브를 포함하는 병렬의 부분 라인도 형성된다. 따라서, E-파워 트레인 냉각제 회로에 대해 서로 병렬로 접속되어 결합되는 4 개의 부분 라인들이 얻어진다.
냉각제는 아주 일반적으로 열 전달체 또는 경우에 따라 냉기 전달체로서 사용되는 열 전달을 위한 액체들이다. 예를 들어, 물-글리콜 혼합물은 차량 내 냉각제 회로에서 매우 일반적이다.
냉동제 회로는 실질적으로 압축기, 냉각제로 냉각된 또는 물로 냉각된 응축기의 이미 언급된 구성 요소들, 및 전방에 연결된 팽창 기관을 구비한 주변 열 교환기로 구성된다. 주변 열 교환기는 응축기를 위한 애프터 쿨러 또는 과냉각기(subcooler)로서 작용하거나 또는 열 펌프 모드에서 주변 공기로부터의 열 흡수를 위한 증발기로서 작용한다. 또한, 차량 캐빈의 냉각을 위한 증발기 및 칠러는 냉동제 회로의 라인들의 부분이다. 칠러는 냉동제 측에서 증발기이고, 따라서 전방에 연결된 및 할당 배치된 팽창 기관을 포함한다. 칠러는 E-파워 트레인 냉각제 회로로부터 열을 흡수한다.
A/C 냉각제 라디에이터는 A/C 냉각제 회로에서 4/2 방향 냉각제 밸브를 포함한 부분 라인 내에 배치되는 액체 공기 열 교환기이다.
파워 트레인 냉각제 라디에이터도 액체 공기 열 교환기이고, E-파워 트레인 냉각제 회로에서 역시 4/2 방향 냉각제 밸브를 포함한 부분 라인 내에 배치된다.
열 교환기들인 A/C 냉각제 라디에이터 및 파워 트레인 냉각제라디에이터는 각각 A/C 냉각제 회로 및 E-파워 트레인 냉각제 회로의 부분 라인들 내에서 서로 분리되어 작동될 수 있고, 또한 4/2 방향 냉각제 밸브를 통해 직렬로 연결될 수 있고 이로써 차례로 연달아 관류 가능하게 구현된다.
주변 열 교환기는 냉동제 회로에서 응축기 후방에 배치되는 냉동제 공기 열 교환기이다.
전술한 3 개의 열 교환기들은 냉각 시스템 작동 중에 열이 주변 공기로 방출되거나 또는 열 펌프 작동 중에 특정 작동 상태에서 열이 주변 공기로부터 흡수되는 공기 열 교환기이다.
칠러는 E-파워 트레인 냉각제 회로의 부분 라인 내에 배치되는 냉동제 냉각제 열 교환기이다.
공조 및 배터리 장치의 냉각 능력을 증가시키기 위한 기술적 개념은 폐열 제거를 위한 3 개의 공기 열 교환기들이 냉동제 회로에서 특히 높은 필요 냉각 능력 및 이와 관련된 응축 열 생성의 시간에 제공되는 것이다.
또한, 배터리 냉각은 능동적으로 또는 수동적으로 냉동제 회로 또는 냉각제 회로에 의해 이루어질 수 있고, 능동 배터리 냉각은 냉동제 회로의 냉각 능력을 사용해서 배터리를 냉각하는 것을 의미하고, 수동 배터리 냉각은 냉각제 회로의 냉각 능력의 사용을 의미한다. 그 후, 냉각제 회로는 폐열을 공기 열 교환기 내의 주변 공기로 방출한다. 본 발명의 개념의 다른 관점은 배터리 냉각으로부터 분리된 냉각제 회로의 영역 내로 폐열을 임시 저장하는 것이다. 임시로 흡수되어 저장된 폐열은 다른 작동 상태에서 주변으로 방출된다.
바람직하게는 A/C 냉각제 회로가 차량 캐빈의 난방을 위해 난방 열 교환기를 포함하고, 상기 난방 열 교환기는 A/C 냉각제 회로에서 A/C 냉각제 라디에이터와 병렬로 또는 선택적으로 연결될 수 있도록 형성된다.
바람직하게는 공조 및 배터리 냉각 장치는 E-파워 트레인 냉각제 회로가 부분 라인 내에 배터리 냉각기 전방에 직렬로 연결되는 히터를 포함하고 또한 배터리 냉각기로의 바이패스도 형성되는 것에 의해 보완된다.
E-파워 트레인 냉각제 회로에서 바람직하게는 냉각제 펌프 및/또는 인버터 및/또는 E-엔진 열 교환기가 배터리 냉각기에 대해 병렬로 관류 가능하게 부분 라인 내에 배치된다.
바람직하게는 냉동제 회로에서 팽창 기관은 응축기 후방 및 주변 열 교환기 전방에 배치되고, 이로써 주변 열 교환기가 열 펌프 모드에서 주변 공기로부터의 열 흡수를 위한 증발기로서 작동 가능하도록 형성된다.
냉동제 회로에서 실시 예에 따라 전방에 연결된 관련 팽창 기관을 구비한 전방 증발기 및/또는 전방에 연결된 관련 팽창 기관을 구비한 후방 증발기는 병렬로 연결되어 배치된다. 또한 경우에 따라 저압 수집기가 냉동제 회로에서 압축기 전방에 배치된다.
또한 바람직하게는 냉동제 회로에서 내부 열 교환기는 고압 측에서 주변 열 교환기 후방에 또는 대안으로서 응축기 후방에 배치된다.
본 발명의 과제는 또한 공조 및 배터리 냉각 장치의 작동 방법에 의해 해결되며, 상기 방법은 배터리 급속 충전을 위한 높은 냉각 능력 요구 시 칠러가 냉동제 회로에서 작동되고 냉동제 회로로부터의 응축 열이 주변 열 교환기를 통해 주변 공기로 그리고 응축기를 통해 냉각제 회로로, 그리고 직렬로 연결된 A/C 냉각제 라디에이터 및 파워 트레인 냉각제 라디에이터를 통해 주변 공기로 방출되는 것을 특징으로 한다. A/C 냉각제 회로 및 E-파워 트레인 냉각제 회로는 4/2 방향 냉각제 밸브에 의해 직렬로 연결되고, 냉동제 회로의 칠러를 포함한 배터리 냉각기는 별도의 냉각제 회로를 형성한다.
바람직하게는 냉동제 회로에서 칠러 외에, 차량 캐빈의 공조용 냉기 생성을 위한 전방 증발기 및/또는 후방 증발기가 추가로 작동된다.
바람직하게는 차량 캐빈의 공조 및 배터리 냉각을 위해 중간 정도의 냉각 능력 요구 시 칠러 및 전방 증발기 및/또는 후방 증발기가 냉동제 회로에서 작동된다. 냉동제 회로로부터의 응축 열이 주변 열 교환기를 통해 주변 공기로, 응축기를 통해 A/C 냉각제 회로로 그리고 A/C 냉각제 라디에이터를 통해 주변 공기로 방출된다. 파워 트레인 냉각제 라디에이터는 E-파워 트레인 냉각제 회로로부터의 폐열을 주변 공기로 방출하고, 배터리 냉각기는 냉동제 회로의 칠러와 함께 별도의 냉각제 회로를 형성한다.
차량 캐빈의 공조를 위한 중간 정도의 냉각 능력 요구 시 바람직하게는 전방 증발기 및/또는 후방 증발기가 냉동제 회로에서 작동되고, 냉동제 회로로부터의 응축 열이 주변 열 교환기를 통해 주변 공기로, 응축기를 통해 A/C 냉각제 회로로, 그리고 A/C 냉각제 라디에이터를 통해 주변 공기로 방출되고, 파워 트레인 냉각제 라디에이터는 E-파워 트레인 냉각제 회로로부터의 폐열을 주변 공기로 방출한다.
바람직하게는, 능동 배터리 냉각을 위한 중간 정도의 냉각 능력 요구 시 칠러가 냉동제 회로에서 작동되고 냉동제 회로로부터의 응축 열이 주변 열 교환기를 통해 주변 공기로, 응축기를 통해 A/C 냉각제 회로로 그리고 A/C 냉각제 라디에이터를 통해 주변 공기로 방출된다. 파워 트레인 냉각제 라디에이터는 E-파워 트레인 냉각제 회로로부터의 폐열을 주변 공기로 방출하고 배터리 냉각기는 냉동제 회로의 칠러와 함께 별도의 냉각제 회로를 형성한다.
수동 배터리 냉각 시, 파워 트레인 냉각제 라디에이터는 바람직하게는 E-파워 트레인 냉각제 회로로부터의 폐열을 주변 공기로 방출하고, 배터리 냉각기는 E-엔진 열 교환기 및/또는 변환기 및/또는 인버터에 대해 병렬로 연결된다.
온화한 주변 온도에서의 재열 작동 시, 바람직하게는 전방 증발기 및/또는 후방 증발기가 냉각제 회로에서 작동되고, 냉동제 회로로부터의 응축 열은 주변 열 교환기를 통해 주변 공기로, 그리고 응축기를 통해 A/C 냉각제 회로 및 차량 캐빈용 공기를 재가열하기 위한 난방 열 교환기로 방출된다. 파워 트레인 냉각제 라디에이터는 E-파워 트레인 냉각제 회로로부터의 폐열을 주변 공기로 방출하고, 배터리 냉각기는 E-엔진 열 교환기 및/또는 변환기 및/또는 인버터에 대해 병렬로 연결된다.
재열은 차량 공조에서 차량 캐빈에 공급될 공기가 우선 냉각 및 제습되고 그 후 소정 온도로 다시 가열되는 것을 의미한다. 재열의 2 개의 구성들은 상이하다. 중간 정도의 주변 온도에서의 공조 및 배터리 냉각 장치의 상태에서, 시스템의 요구되는 냉각 능력은 차량 캐빈 내로 방출될 공기의 재가열, 즉 재열에 필요한 가열 능력보다 더 높다. 이는 냉각 시스템 작동에서의 재열이라고 한다.
또한, 공기의 재가열을 위해 요구되는 가열 능력이 공기의 제습에 필요한 냉각 능력보다 높은 구성이 나타난다. 이것은 열 펌프 작동에서의 재열이라고도한다.
추운 주변 온도에서의 재열 작동 시, 칠러, 전방 증발기 및/또는 후방 증발기가 냉동제 회로에서 작동되고, 냉동제 회로로부터의 응축 열은 응축기를 통해 A/C 냉각제 회로 및 차량 캐빈용 공기를 가열하기 위한 난방 열 교환기로 방출된다. 배터리 냉각기는 E-엔진 열 교환기 및/또는 변환기 및/또는 인버터에 대해 병렬로 연결되고, 냉동제 회로의 칠러는 배터리 냉각기 및 병렬로 연결된 E-파워 트레인 냉각제 회로와 함께 별도의 냉각제 회로를 형성한다.
추운 주변 온도에서 가열 작동 시, 냉동제 회로에서 주변 열 교환기는 주변 공기로부터의 열을 흡수하기 위한 증발기로서 연결되고, 냉동제 회로로부터의 응축 열은 응축기를 통해 A/C 냉각제 회로 및 차량 캐빈용 공기를 가열하기 위한 난방 열 교환기로 방출된다.
추운 주변 온도에서 가열 작동 시, 바람직하게는 칠러가 냉동제 회로에서 작동되고, 냉동제 회로로부터의 응축 열은 응축기를 통해 A/C 냉각제 회로 및 차량 캐빈용 공기를 가열하기 위한 난방 열 교환기로 방출되고, 냉동제 회로의 칠러는 E-파워 트레인 냉각제 회로의 E-엔진 열 교환기 및/또는 변환기 및/또는 인버터와 함께 별도의 냉각제 회로를 형성한다.
보완적으로 주위 열 교환기가 바람직하게는 냉동제 회로에서 칠러에 추가해서 증발기로서 작동된다.
매우 추운 주변 온도에서 가열 작동 시, 칠러가 냉동제 회로에서 작동되고 냉동제 회로로부터의 응축 열은 응축기를 통해 A/C 냉각제 회로 및 차량 캐빈용 공기를 가열하기 위한 난방 열 교환기로 방출된다. 냉동제 회로의 칠러는 E-파워 트레인 냉각제 회로의 추가 히터와 함께 별도의 냉각제 회로를 형성한다.
바람직하게는, 추운 주변 온도에서 가열 작동 시, 냉동제 회로에서 주변 열 교환기는 주변 공기로부터의 열을 흡수하기 위한 증발기로서 연결되고, 냉동제 회로로부터의 응축 열은 응축기를 통해 A/C 냉각제 회로 및 차량 캐빈용 공기를 가열하기 위한 난방 열 교환기로 방출된다. 배터리 냉각기는 E-파워 트레인 냉각제 회로의 추가 히터와 함께 배터리 냉각기를 가열하기 위한 별도의 냉각제 회로를 형성한다.
본 발명의 또 다른 세부 사항, 특징 및 장점은 관련 도면들을 참조해서 이루어지는 실시 예들에 대한 이하의 상세한 설명으로부터 나타난다.
도 1은 공조 및 배터리 냉각 장치의 회로도를 도시하고,
도 2는 급속 충전 시 냉각 능력 요구의 흐름도를 도시하고,
도 3은 차량 캐빈 및 배터리의 냉각을 위한 중간 정도의 냉각 능력 요구의 흐름도를 도시하고,
도 4는 차량 캐빈의 냉각을 위한 중간 정도의 냉각 능력 요구의 흐름도를 도시하고,
도 5는 능동 배터리 냉각을 위한 중간 정도의 냉각 능력 요구의 흐름도를 도시하고,
도 6은 수동 배터리 냉각의 흐름도를 도시하고,
도 7은 중간 정도의 주변 온도에서 재열의 흐름도를 도시하고,
도 8은 낮은 주변 온도에서 재열의 흐름도를 도시하고,
도 9는 열원 주변 공기를 포함한 추운 주변 온도에서의 가열 작동의 흐름도를 도시하고,
도 10은 열원인 E-파워 트레인으로부터의 폐열을 포함한 추운 주변 온도에서의 가열 작동의 흐름도를 도시하고,
도 11은 열원 주변 공기 및 E-파워 트레인 구성 요소로부터의 폐열을 포함한 추운 주변 온도에서의 가열 작동의 흐름도를 도시하고,
도 12는 부스트 모드에서 매우 추운 주변 온도에서의 가열 작동의 흐름도를 도시하고,
도 13은 능동 배터리 가열의 흐름도를 도시하고,
도 14는 고압 측에서 주변 열 교환기 후방에 내부 열 교환기를 포함한 흐름도를 도시하고,
도 15는 고압 측에서 응축기 후방에 내부 열 교환기를 포함한 흐름도를 도시하고,
도 16a 내지 도 16f는 차량의 전방 영역에서 라디에이터들의 배치를 포함한 개략도들을 도시하며, 그리고
도 17은 공조 및 배터리 냉각 장치의 성능 특성에 대한 다이어그램을 도시한다.
도 1에는 공조 및 배터리 냉각 장치(1)가 모든 필수 구성 요소 및 선택적 접속들을 포함한 회로도로서 도시된다. 냉각제 회로와 냉동제 회로의 조합으로 이루어진 열 전체 시스템은 냉각 시스템 기능과 함께 열 펌프 기능도 포함한다. 이는 공조 및 배터리 냉각 장치에 의해 차량을 위한 냉기 및 열이 제공될 수 있는 것을 의미한다.
이러한 시스템은 2 개의 냉각제 회로들과 하나의 냉동제 회로로 구성되고, 냉각제 회로들은 서로 커플링 가능하다. 이를 위해 A/C 냉각제 회로 및 E-파워 트레인 냉각제 회로를 큰 직렬 회로로 통합하거나 또는 완전히 서로 분리할 수 있도록 4/2 방향 냉각제 밸브(21)가 제공된다. A/C 냉각제 회로의 부분 라인을 E-파워 트레인 냉각제 회로와 직렬로 연결함으로써, 파워 트레인 냉각제 라디에이터(32)가 A/C 냉각제 라디에이터(20) 및 냉동제 회로의 주변 열 교환기(5)에 추가해서 응축기 열을 주변 공기(33)로 방출하기 위해 사용될 수 있다.
또한, 파워 트레인 냉각제 라디에이터(32)와 A/C 냉각제 라디에이터(20) 사이에서 유체 흐름 방향으로 직렬로 관류되는 E-파워 트레인 구성 요소들, 즉 인버터(29), 변환기(30), E-엔진 열 교환기들(31)은 정지 상태에서 냉각 시스템으로부터 특정 양의 폐열을 저장하기 위해 열 저장기로서 사용될 수 있다. 이러한 중간 저장된 열은 추후에 주행 작동에서 냉각제 회로들의 완전한 분리 시 주변으로 방출될 수 있다.
가열 모드, 열 펌프 작동에서, 중간 저장된 열 또는 E-파워 트레인 구성 요소들로부터의 폐열은 냉동제의 증발을 위한 열원으로서 사용될 수 있고, 상기 열은 난방을 위해 시스템에 이용 가능하게 될 수 있다. 따라서, 공조 및 배터리 냉각 장치의 열 전체 시스템은 매우 효율적인 방식으로 높은 냉각 및 가열 능력을 제공할 수 있다.
A/C 냉각제 회로는 얇은 이중 선으로 도시된다.
냉동제 회로는 중간 선 두께의 이중 선으로 도시된다.
E-파워 트레인 냉각제 회로는 두꺼운 이중 선으로 도시된다.
도 2 내지 도 13의 아래 설명은 시스템이 각각의 특정 기본 과제 설정에서 작동될 수 있는, 도 1에 따른 공조 및 배터리 냉각 장치(1)의 필수 작동 모드를 설명한다. 물론, 특정 구성에서 설명된 모드들의 조합도 가능하다.
개별 모드들에서 유체가 관류되는 유체 연결은 이중 선으로 도시된다. 기본 선은 해당 모드에서 유체가 관류되지 않는다.
도 2에는 배터리의 급속 충전 시 높은 냉각 능력 요구에서 도 1에 도시된 공조 및 배터리 냉각 장치(1)의 흐름도가 도시된다. 이 작동 모드에서는 4/2 방향 냉각제 밸브(21)는 A/C 냉각제 회로가 E-파워 트레인 냉각제 회로와 연결되어 2 개의 냉각제 회로들의 부분 라인들이 이어짐으로써 직렬 냉각제 회로가 생성되도록 연결된다. 따라서, 응축기(3)를 통해 A/C 냉각제 회로로 방출된 응축열은 E-파워 트레인 냉각제 회로의 파워 트레인 냉각제 라디에이터(32) 및 A/C 냉각제 회로의 A/C 냉각제 라디에이터(20)를 통해 주변 공기(33)으로 방출된다.
냉각제 냉각된 응축기(3)와 주변 열 교환기(5) 사이의 팽창 기관(4)은 주변 열 교환기(5)의 바이패스의 폐쇄 시 완전히 개방되므로, 응축기(3)에서 응축된 냉동제가 주변 열 교환기(5)에서 더 과냉각되고 냉동제 회로의 폐열이 주변 공기(33)로 방출된다.
또한, 이 작동 모드에서, 파워 트레인 냉각제 라디에이터(32)와 A/C 냉각제 라디에이터(20) 사이에서 유체 방향으로 직렬로 관류되는, E-파워 트레인 구성 요소들, 즉 인버터(29), 변환기(30) 및 E-엔진 열 교환기(31)는 급속 충전 과정 동안 냉동제 회로로부터 특정 양의 폐열을 저장하기 위해 열 저장기로서 사용된다. 이러한 중간 저장된 열은 추후에 주행 작동에서 냉각제 회로들의 완전한 분리 시 주변으로 방출될 수 있다.
고전압 배터리는 주변 온도보다 낮은 온도에서 E-파워 트레인 냉각제 회로의 부분 라인들로부터의 별도의 더 작은 냉각제 라인 내의 칠러(12)에 의해 능동적으로 냉각된다. 이 모드에서는 배터리 온도가 가장 높은 우선권을 갖는다. 배터리 온도가 허용한다면, 캐빈 내로 유입되는 공기가 전방 증발기(10) 및/또는 후방 증발기(11)에 의해 추가로 및 동시에 냉각될 수 있다. 도 2에 도시된 작동 모드는 능동 팽창 기관(7)에서 전방 증발기(10)에 의한 차량 캐빈 공기의 추가 냉각을 나타내고 다음과 같이 설명될 수 있다. 냉동제 회로에서, 압축기(2)는 냉동제를 압축하고 그 후 상기 냉동제는 응축기(3)에서 냉각되고 응축된다. 팽창 기관(4)이 완전히 개방되면, 냉동제가 주변 열 교환기(5)에 도달하고, 냉동제는 응축기(3) 및 주변 열 교환기(5)에서 응축되고 경우에 따라 후속해서 과냉각된다. 그 후, 액체 냉동제는 체크 밸브(15)에 의해 통과 방향으로 칠러(12) 전방의 팽창 기관(9)에 그리고 본 발명의 도시된 실시 예에 따라 병렬로 전방 증발기(10) 전방의 팽창 기관(7)에 도달한다. 도 2에 도시된 실시 예에서, 냉동제는 전방 증발기(10) 및 칠러(12)에서 증발하고, 냉동제 가스는 경우에 따라 여전히 존재하는 액체 냉동제가 분리되는 저압 수집기(13)를 통해 압축기(2)로 흐르고, 그 후 회로가 이제 폐쇄된다.
응축기(3)에서, 냉동제는 응축 열을 A/C 냉각제 회로로 방출한다. 냉각제는 냉각제 펌프(17)에 의해 3 방향 밸브(18)를 통해 A/C 냉각제 라디에이터(20)로 송출되고 거기서부터 4/2 방향 냉각제 밸브(21) 및 3 방향 밸브(34)를 통해 냉각제 펌프(28)에 도달한다. 이제 냉각제는 인버터(29), 변환기(30) 및 E-엔진 열 교환기(31)를 관류하고, 3 방향 밸브(27)를 통해 파워 트레인 냉각제 라디에이터(32)에 도달하고 4/2 방향 냉각제 밸브(21)를 통해 응축기(3)의 입구로 되돌아간다. 2 개의 부분 라인들로 이루어진 회로는 4/2 방향 냉각제 밸브에 의해 폐쇄된다.
주변 열 교환기(5), 파워 트레인 냉각제 라디에이터(32) 및 A/C 냉각제 라디에이터(20)에 의해, 냉동제 회로로부터의 폐열이 주변 공기(33)로 방출된다. 이 작동 모드에서, 냉각 부하는 E-파워 트레인 냉각제 회로에서 E-파워 트레인 냉각제 회로의 부분 라인들로 이루어진 별도로 연결된 냉각제 회로에서 연결되는 배터리 냉각기(25)에 집중된다. 냉각제 펌프(22)는 냉각제를 배터리 냉각기(25)에 의해, 3 방향 밸브(34)의 폐쇄 시 개방된 차단 밸브(26) 및 칠러(12)를 통해 냉각제 펌프로 다시 송출한다. 배터리 냉각 회로는 냉동제 회로의 칠러(12)에 의해 능동적으로 냉각되어 폐쇄된다. 상기 냉각제 회로의 히터(23)는 급속 충전 시 배터리 냉각을 위한 가장 높은 냉각 능력을 제공하는 이 모드에서는 물론 비활성이다.
도 3에는 차량 캐빈 및 배터리의 냉각을 위한 중간 정도의 냉각 능력 요구에서 도 1에 따른 공조 및 배터리 냉각 장치(1)의 흐름도가 도시된다.
이 작동 모드에서 4/2 방향 냉각제 밸브(21)는 A/C 냉각제 회로가 E-파워트레인 냉각제 회로로부터 완전히 분리되도록 연결된다. 전술한 모드에서와 같이, 냉각제 냉각된 응축기(3)와 주변 열 교환기(5) 사이의 팽창 기관(4)이 완전히 개방되고 냉동제 회로 내의 바이패스가 폐쇄된 차단 밸브(6)에 의해 비활성되므로, 응축기(3)에서 응축된 냉동제가 주변 열 교환기(5)에서 더 과냉각된다.
이 작동 모드에서, 차량 캐빈의 실내 공기의 공조를 위한 2 개의 증발기들(10, 11) 및 배터리 냉각기(25)에 의해 고전압 배터리를 냉각시키기 위한 칠러(12)가 동시에 작동된다. 고전압 배터리는 주변 온도보다 낮은 온도에서 능동적으로 냉각된다. E-파워 트레인 구성 요소들(29, 30, 31)의 폐열은 냉동제 회로의 사용 없이 파워 트레인 냉각제 라디에이터(32)에서 주변 공기(33)로 수동적으로 방출된다.
도 2에 따른 회로의 확장에서, 도 3에서는 냉동제 회로가 냉동제 회로 내의 3 개의 증발기들(10, 11, 12)의 작동을 동시에 특징으로 한다. 증발기들(10, 11, 12)의 작동은 팽창 기관들(7, 8, 9)의 작동과 커플링된다. 체크 밸브(16)는 냉동제 회로 내의 상응하는 압력 차에서 단락을 방지한다.
냉동제 회로의 폐열은 응축기(3)를 통해 A/C 냉각제 회로로 그리고 A/C 냉각제 라디에이터(20)를 통해 주변 공기(33)로 능동적으로 방출되고, E-파워 트레인 냉각제 회로의 파워 트레인 냉각제 라디에이터(32)는 E-파워 트레인의 구성 요소들(29, 30, 31)을 수동적으로 냉각시키고 그 폐열을 역시 주변 공기(33)로 방출시킨다.
E-파워 트레인 냉각제 회로는 이 작동 모드에서 각각 2 개의 부분 라인들로 이루어진 2 개의 개별 회로들에서 작동된다. 하나의 회로는 E-파워 트레인 구성 요소들(29, 30, 31)을 포함하는 냉각제 펌프 (28) 및 4/2 방향 냉각제 밸브(21)를 포함하는 파워 트레인 냉각제 라디에이터(32)의 부분 라인에 의해 형성된다. 다른 회로, 즉 배터리 냉각 회로가 냉각제 펌프(22)에 의해 구동되고 배터리 냉각기(25), 개방된 차단 밸브(26) 및 칠러(12)를 포함한다.
도 4에는 차량 캐빈의 냉각을 위한 중간 정도의 냉각 능력 요구에서 도 1에 따른 공조 및 배터리 냉각 장치(1)에 대한 흐름도가 도시된다. 전술한 작동 모드와는 달리, 이 경우 배터리 냉각을 위한 냉동제 회로의 칠러(12)가 능동적으로 작동되지 않으므로, 배터리 냉각 회로가 이 경우 냉동제 회로에 의해 냉각되지 않는다. 그 대신, 냉동제 회로의 전체 용량이 전방 증발기(10) 및 후방 증발기(11)의 냉각을 위해 사용된다. 팽창 기관(4)이 완전히 개방되므로, 압축된 냉동제 가스가 응축기(3)에서 응축되고 주변 열 교환기(5)에서 과냉각되고, 상기 주변 열 교환기로부터 팽창 기관들(7 및 8)을 통해 증발기들(10 및 11)에 도달한다. A/C 냉각제 회로는 응축 열을 응축기(3)에 의해 냉동제 회로로부터 흡수하고 이 응축 열을 냉각제 펌프(17)를 포함한 부분 라인을 통해 A/C 냉각제 라디에이터(20)로 운반하고, 여기서 열이 주변 공기(33)로 방출된다.
4/2 방향 냉각제 밸브(21)는 A/C 냉각제 라디에이터(20) 이후에 응축기(3)에 대해 냉각제 회로를 폐쇄한다.
냉각제 회로의 배터리 냉각기(25)를 포함하는 부분 라인과 관계 없이, 인버터(29), 변환기(30) 및 E-엔진 열 교환기(31)의 수동 냉각을 위한 E-파워 트레인 냉각제 회로는 냉각제 펌프(28)에 의해 구동되고 파워 트레인 냉각제 라디에이터(32)를 통해 안내되고 이로써 E-파워 트레인의 구성 요소들이 수동적으로 냉각된다. 4/2 방향 냉각제 밸브(21)는 E-파워 트레인의 구성 요소에 대해 회로를 폐쇄하고, 3 방향 밸브들(27 및 34)는 배터리 냉각 회로로부터의 분리 및 E-파워 트레인의 구성 요소들에 대한 통과로 각각 연결된다.
이러한 작동 모드에서 칠러(12)를 냉동제 회로로부터 배제하기 위해, 칠러(12) 전방에 놓인 팽창 기관(9)이 완전히 폐쇄되므로, 냉동제가 증발기들(10 및 11)을 통해서만 압축기(2)로 흐를 수 있다.
도 5에는 능동 배터리 냉각을 위한 중간 정도의 냉각 능력 요구에서 도 1에 따른 공조 및 배터리 냉각 장치(1)의 흐름도가 도시된다. 도 4에 따른 전술한 실시예와는 달리, 도 5에서는 칠러(12)를 냉동제 회로 내로 통합하기 위해 팽창 기관(9)이 개방된다. 이와 달리, 팽창 기관들(7, 8)은 차량 캐빈 공조를 위한 증발기들을 냉동제 공급으로부터 배제하기 위해 폐쇄되므로, 냉동제 회로로부터의 총 냉각 능력이 칠러(12)를 통해 배터리 냉각기(25)에 제공될 수 있다. 이 작동 모드에서 증발기들(10, 11) 전방에 놓인 팽창 기관들(7, 8)이 완전히 폐쇄되므로, 냉동제는 칠러(12)를 통해서만 압축기(2)로 흐를 수 있다. 따라서, 고전압 배터리가 냉동제 회로에 의해 능동적으로 냉각된다.
도 6에는 도 1에 따른 공조 및 배터리 냉각 장치(1)를 위한 수동 배터리 냉각의 흐름도가 도시된다. 이 작동 모드에서, 고전압 배터리는 배터리 냉각기(25)를 포함한 부분 라인에 의해 그리고 E-파워 트레인 구성 요소들(29, 30, 31)은 배터리 냉각기(25)와 병렬로 파워 트레인 냉각제 라디에이터(32)에 의해 수동적으로 냉각되고, 이 경우 상기 구성 요소들의 폐열은 주변 공기(33)로 방출된다. 배터리 냉각기(25)와 칠러(12) 사이의 차단 밸브(26)가 폐쇄되어 유지되므로, 냉각제 흐름은 3 방향 밸브(34)에서 분할되고 배터리 냉각기(25)와 E-파워 트레인 구성 요소들, 즉 인버터(29), 변환기(30) 및 E-엔진 열 교환기(31)의 병렬 관류 후에 3 방향 밸브(27)를 통해 다시 함께 안내되고 파워 트레인 냉각제 라디에이터(32)로 안내된다.
도 7에는 중간 정도의 주변 온도에서 재열 모드 시 도 1에 따른 공조 및 배터리 냉각 장치(1)의 흐름도가 도시된다. 중간 정도의 주변 온도에서, 요구되는 냉각 능력은 일반적으로 재열에 필요한 가열 능력보다 높다. 이 모드는 냉각 시스템 작동에서의 재열이라고도 한다. 여기서, 응축기(3)에서 A/C 냉각제 회로 내로 방출된 열이 난방 열 교환기(19)에서, 팽창 기관(7)을 포함한 전방 증발기(10)에 의해 냉각되고 제습된 공기로 완전히 방출되므로 공기를 재열할 수 있다. 공조 시스템 작동에서 재열 시 초과량의, 사용 불가능한 응축 열이 주변 열 교환기(19)에서 주변 공기(33)로 방출된다. 응축기(3)와 주변 열 교환기(5) 사이의 팽창 기관(4)은 사용 가능 응축 열과 초과량의 응축 열의 정확한 비율을 설정하는데 필요한, 주변 열 교환기(5) 내의 상응하는 중간 압력 수준으로 조절된다. 중간 정도의 주변 온도에서, 고전압 배터리는 전술한 조치에서처럼 파워 트레인 냉각제 라디에이터(32)에 의해 수동적으로 냉각될 수 있다. 배터리 냉각기(25)와 E-파워 트레인 구성 요소들의 회로가 도 6에 따른 전술한 모드에서처럼 접속된다.
도 8에는 낮은 주변 온도에서 재열 모드 시 도 1에 따른 공조 및 배터리 냉각 장치(1)의 흐름도가 도시된다. 추운 주변 온도에서, 공기의 재열에 요구되는 가열 능력은 일반적으로 공기의 제습에 필요한 냉각 능력보다 높다. 이러한 구성은 열 펌프 모드에서의 재열이라고도 한다. 여기서, 응축기(3)에서 A/C 냉각제 회로 내로 방출되는 열은 난방 열 교환기(19)에서, 팽창 기관(4)을 포함한 증발기(10)에 의해 냉각되고 제습된 공기로 완전히 방출되므로, 공기를 재가열할 수 있다. 응축기(3)와 주변 열 교환기(5) 사이의 팽창 기관(4)은 완전히 폐쇄되므로, 냉동제가 개방된 차단 밸브(6)를 통한 바이패스에 의해 증발기(10) 및 칠러(12)를 통해 압축기(2)로 되돌아 흐른다. 이로 인해, 열 펌프 작동에서 재열을 위해 추가로 필요한 증발 열은 칠러(12)에서 흡수되고, 상기 증발 열은 주로 E-파워 트랜스 구성 요소들, 즉 인버터(29), 변환기(30) 및 E-엔진 열 교환기(31) 그리고 배터리 냉각기(25)를 통한 고전압 배터리의 폐열로 이루어진다. 따라서, 추운 주변 온도에서, 시스템은 발생한 폐열을 열 펌프 효과에 의해 차량 캐빈 난방에 사용 가능한 유용한 열로 변환하는 것을 허용하고, 그에 따라 전기 차량의 총 효율 및 주행 거리가 현저히 증가한다. 전체 시스템의 라디에이터들, 즉 주변 열 교환기(5), A/C 냉각제 라디에이터(20) 및 파워 트레인 냉각제 라디에이터(32)는 완전히 작동되지 않으므로, 시스템의 폐열이 주변 공기(33)로 방출되지 않는다.
도 9에는 열원 주변 공기를 포함한 추운 주변 온도에서 재열 모드 시 도 1에 따른 공조 및 배터리 냉각 장치(1)의 흐름도가 도시된다. 가열 작동에서, 응축기(3)에서 A/C 냉각제 회로 내로 방출된 열은 난방 열 교환기(19)에 의해 실내 공기로 완전히 방출된다. 응축기(3)와 주변 열 교환기(5) 사이의 팽창 기관(4)은 주변 열 교환기(5)에서 주변 공기(33)로부터의 증발 열을 흡수하기 위해 필요한 주변 열 교환기(5) 내의 압력 수준으로 조절된다. 냉동제는 주변 공기(33)로부터의 열의 흡수에 의해 저압 수준으로 완전히 증발되거나 과열된다. 과열된 냉동제는 차단 밸브(26)의 개방 및 팽창 밸브(9)의 폐쇄 시 칠러(12)로의 바이패스에 의해 저압 수집기(13)를 통해 다시 압축기(2)로 흐른다. 전체 E-파워 트레인 냉각제 회로는 작동되지 않는다.
도 10에는 열원인 E-파워 트레인으로부터의 폐열을 포함한 추운 주변 온도에서 가열 작동 시 공조 및 배터리 냉각 장치(1)의 흐름도가 도시된다. 가열 모드에서, 응축기(3)에서 A/C 냉각제 회로 내로 방출된 열은 난방 열 교환기(19)에서 실내 공기로 완전히 방출된다. 응축기(3)와 주변 열 교환기(5) 사이의 팽창 기관(4)이 완전히 폐쇄되므로, 냉동제는 차단 밸브(6)의 개방 시 주변 열 교환기(5)로의 바이패스에 의해 팽창 기관(9)에서 스로틀링 후 칠러(12)를 통해 압축기(2)로 되돌아 흐른다. 열 펌프 작동에 필요한 증발 열은 칠러(12)에서 완전히 흡수되고, 상기 열은 주로 E-파워 트레인 구성 요소들(29, 30, 31)의 폐열로 이루어진다. 배터리 냉각기(25) 전방의 3 방향 밸브(24)는 바이패스에서 가능한 적은 냉각제 체적 흐름이 배터리 냉각기(25)를 통해 흐르도록 또는 냉각제 체적 흐름이 배터리 냉각기(25)를 통해 흐르지 않도록 연결된다. 이것은 이러한 작동 상태에서 열 방출에 의한 배터리의 냉각을 피하기 위해 필요하다. 주변 온도가 5℃ 미만이면 고전압 배터리로부터의 폐열 또는 잔열이 대체로 바람직하지 않는데, 그 이유는 셀의 전기 저항이 대부분 온도에 의해 결정되고, 상기 전기 저항은 추운 온도에서 증가하는 경향이 있으므로 고전압 배터리의 효율을 떨어뜨리기 때문이다.
도 11에는 열원 주변 공기(33) 및 E-파워 트레인 구성 요소들(29, 30, 31)로부터의 폐열을 포함한 추운 주변 온도에서 가열 작동 시 도 1에 따른 공조 및 배터리 냉각 장치(1)의 흐름도가 도시된다.
가열 작동에서, 응축기(3)에서 냉각제 회로 내로 방출된 열은 난방 열 교환기(19)에 의해 차량 캐빈의 실내 공기로 완전히 방출된다. 이 작동 모드에서, 주변 공기(33) 및 E-파워 트레인 구성 요소들(29, 30 및 31)로부터의 폐열이 냉동제의 증발을 위한 열원으로서 사용된다. 주변 열 교환기(5) 전방 그리고 칠러(12) 전방의 팽창 기관들(4, 9)은 각각의 소스로부터 가능한 많은 열을 취할 수 있도록 조정된다. 추운 주변 온도에서 고전압 배터리의 폐열은 냉동제를 위한 증발 열원으로서 사용될 수 없다. 그러므로, 이 경우에도 냉각제 체적 흐름이 바이패스에 의해 배터리 냉각기(25)를 바이패스해야 하고, 3 방향 밸브(24)도 상응하게 연결된다.
도 12에는 소위 부스트 모드로 매우 추운 주변 온도에서 가열 작동 시 도 1에 따른 공조 및 배터리 냉각 장치(1)의 흐름도가 도시된다. 가열 작동에서, 응축기(3)에서 A/C 냉각제 회로 내로 방출된 열이 난방 열 교환기(19)에서 실내 공기로 완전히 방출된다. 응축기(3)와 주변 열 교환기(5) 사이의 팽창 기관(4)이 완전히 폐쇄되므로, 냉동제가 차단 밸브(6)의 개방 시 바이패스에 의해 칠러(12)를 통해 압축기(2)로 되돌아 흐른다. 가열 작동에 필요한 증발 열은 칠러(12)에서 완전히 흡수된다. 칠러(12) 내의 증발 열은 히터(23)라고 하는 전기 냉각제 가열기에 의해 제공된다. 전기 냉각제 가열기, 즉 전기 히터(23)를 사용함으로써 열 펌프 시스템의 가열 능력이 상당히 증가할 수 있다. 캐빈의 신속 또는 동적 난방을 달성하기 위해, 배터리 냉각기(25) 전방의 3 방향 밸브(24)는 바이패스에 의해 편향되므로, 냉각제 흐름이 배터리 냉각기(25)를 지나 흐른다. 따라서, 배터리를 통한 열 손실이 최소화되고 가능한 많은 열이 칠러(12)에서 냉동제 회로로 방출된다.
도 13에는 능동 배터리 가열을 위한 가열 작동에서 도 1에 따른 공조 및 배터리 냉각 장치(1)의 흐름도가 도시된다. 이 작동 모드에서, 고전압 배터리가 배터리 냉각기(25)를 통한 히터(23)에 의해 능동적으로 가열된다. 냉동제 회로에 의한 열 제거를 방지하기 위해, 냉동제 유량 흐름이 칠러(12)에 의해 억제되고, 팽창 기관(9)은 완전히 폐쇄된다. 냉동제는 칠러(12)로의 바이패스에서 개방된 차단 밸브(14)에 의해 저압 수집기(13) 및 압축기(2)로 흐른다. 난방 열 교환기(19)에 의해 차량 캐빈에 열 공급을 하기 위해 가열 작동에 필요한 증발 열은 주변 열 교환기(5)에서 주변 공기(33)으로부터 흡수된다. 이 경우, 냉동제는 주변 공기(33)로부터의 열의 흡수에 의해 저압 수준으로 완전히 증발되거나 또는 과열된다. 이를 위해, 응축기(3) 후방의 팽창 기관(4)이 상응하게 활성화되고 주변 열 교환기(5) 전방의 냉동제 질량 흐름을 필요한 저압 수준으로 이완시킨다.
도 14에서, 공조 및 배터리 냉각 장치(1)는 냉동제 회로와 관련해서 내부 열 교환기(35)로 확장된다. 내부 열 교환기(35)는 고압 측에서 냉동제 회로 내의 주변 열 교환기(5) 후방에 그리고 증발기들(10, 11)의 팽창 기관들(7, 8) 전방에 놓인다. 시스템은 냉동제 특정하게 사용된 냉동제에 따라 열역학적으로 의미가 있는 상기 확장을 제외하고는 도 1에 따른 구성에 상응한다.
도 15에서, 도 1에 따른 공조 및 배터리 냉각 장치(1)는 내부 열 교환기(35)로 확장되지만, 상기 열 교환기는 고압 측에서 응축기(3)와 팽창 기관(4) 사이에, 따라서 주변 열 교환기(5) 전방에 연결된다. 다른 구성 요소들은 도 1에 도시된 것과 동일한 시스템에 해당한다.
내부 열 교환기(35)의 사용에 의해, 시스템의 냉각 능력이 사용되는 냉동제에 따라 증가할 수 있다.
도 16(a) 내지 도 16(f)에는 자동차의 차량 전방부(36)의 영역에 라디에이터들의 다양한 배치들이 개략적으로 도시된다.
도 16(a)에는 3 개의 열들로 연달아 주변 열 교환기(5) 및 A/C 냉각제 라디에이터(20) 전방의 파워 트레인 냉각제 라디에이터(32)의 배치가 도시되므로, 여기에 도시되지 않은 주변 공기의 냉각 공기 흐름은 라디에이터들을 순차적으로 관류한다.
변형 예(b)에서는 파워 트레인 냉각제 라디에이터(32)가 제 1 열에서 전체 단부면에 걸쳐 구현되고, 주변 열 교환기(5) 및 A/C 냉각제 라디에이터(20)가 제 2 열에서 공기 관류 면을 나눈다.
변형 예(c)에 따르면, 변형 예(b)와는 달리, 먼저 제 1 평면에서의 라디에이터들(20, 5) 그리고 후속해서 제 2 평면에서 파워 트레인 냉각제 라디에이터(32)가 관류된다.
변형 예(d)에서는 제 1 유동 평면에서 파워 트레인 냉각제 라디에이터(32)가 주변 열 교환기(5)와 결합되고, 제 2 평면에서 전체 면에 걸쳐 A/C 냉각제 라디에이터(20)가 배치된다.
변형 예(e)는 라디에이터들(5, 32, 20)의 계단식 배치에 관한 것이며, 제 2 및 제 3 열에서 그 이전 열에 비해 라이데이터들의 관류를 위한 추가 단부면이 각각 제공된다.
변형 예(f)에는, 끝으로 주변 열 교환기(5)가 제 1 평면 및 라디에이터 유닛의 단부면을 형성하고, 제 2 평면에서 관류 면이 A/C냉각제 라디에이터(20) 및 파워 트레인 냉각제 라디에이터(32)에 의해 나눠지며, 특이점은 파워 트레인 냉각제 라디에이터(32)의 깊이가 제 3 평면으로 연장되고 다른 2 개의 사용되는 라디에이터들(5, 20)에 비해 더 큰 관류 깊이를 갖는 것이다.
도 17에는 급속 충전 없는 기존의 차량 및 급속 충전을 포함한 현대식 배터리 전기 차량의 공조 및 배터리 냉각 장치들의 출력 특성에 대한 다이어그램이 도시된다.
가로 축에는 차량 속도(v)가 km/h 단위로 표시되고 세로 축에는 공조 및 배터리 냉각 장치(1)의 출력이 kW 단위로 표시된다.
다이어그램은 급속 충전 기능을 포함한 현대 전기 차량의 열 또는 냉기 요구를 테두리가 있는 별로 표시하여 나타낸다. 정지 상태에서 급속 충전 과정 시, 약 23kW의 냉각 능력이 필요하고, 이는 기존의 공조 및 배터리 냉각 장치에 의해서는 제공될 수 없다.
응축기 출력은 약 12kW에서 정지 상태로부터 주행 작동에서 30kW 이상으로 증가하는 파선 곡선으로 표시된다. 약 60km/h 및 약 15kW의 출력에서 요구 곡선과 출력 곡선이 교차하므로, 약 60km/h의 속도에까지 출력 부족이 나타난다. 이러한 부족은 본 발명에 따른 공조 및 배터리 냉각 장치에 의해 극복된다. 이와 달리, 순수 공조 시스템 작동을 위한 통상의 응축기 출력을 가진 배터리 전기 구동기 없는 기존의 차량은 종래의 공조 시스템과 특별한 문제를 갖지 않는다.
1: 공조 및 배터리 냉각 장치
2: 압축기
3: 응축기
4: 팽창 기관
5: 주변 열 교환기
6: 차단 밸브
7: 팽창 기관
8: 팽창 기관
9: 팽창 기관
10: 전방 증발기
11: 후방 증발기
12: 칠러
13: 저압 수집기
14: 차단 밸브
15: 체크 밸브
16: 체크 밸브
17: 냉각제 펌프
18: 3 방향 밸브
19: 난방 열 교환기
20: A/C 냉각제 라디에이터
21: 4/2 방향 냉각제 밸브
22: 냉각제 펌프
23: 히터
24: 3 방향 밸브
25: 배터리 냉각기
26: 차단 밸브
27: 3 방향 밸브
28: 냉각제 펌프
29: 인버터
30: 변환기
31: E-엔진 열 교환기
32: 파워 트레인 냉각제 라디에이터
33: 주변 공기
34: 3 방향 밸브
35: 내부 열 교환기
36: 차량 전방부

Claims (21)

  1. A/C 냉각제 회로, E-파워 트레인 냉각제 회로 및 냉동제 회로를 포함하는 공조 및 배터리 냉각 장치(1)에 있어서,
    - 4/2 방향 냉각제 밸브(21)에 의해서 상기 A/C 냉각제 회로 및 상기 E-파워 트레인 냉각제 회로가 서로 독립적으로 냉각제를 순환시키거나, 서로 직렬로 연통되도록 연결되고,
    - 상기 A/C 냉각제 회로는 주변 공기(33)로의 열 방출을 위한 적어도 하나의 A/C 냉각제 라디에이터(20), 냉각제 펌프(17) 및 응축기(3)를 포함하고, 상기 응축기(3)를 통해 상기 A/C 냉각제 회로가 상기 냉동제 회로와 열적으로 연결되고,
    - 상기 E-파워 트레인 냉각제 회로는 적어도 하나의 배터리 냉각기(25), 냉각제 펌프(22), 상기 주변 공기(33)로의 열 방출을 위한 파워 트레인 냉각제 라디에이터(32) 및 칠러(12)를 적어도 포함하고, 상기 칠러(12)를 통해 상기 E-파워 트레인 냉각제 회로가 냉동제 회로와 열적으로 연결되며, 그리고
    - 상기 냉동제 회로는 적어도 하나의 압축기(2), 상기 응축기(3), 상기 주변 공기(33)로의 열 방출 또는 상기 주변 공기(33)로부터의 열 흡수를 위한 주변 열 교환기(5), 팽창 기관(9) 및 상기 칠러(12)를 포함하고,
    상기 4/2 방향 냉각제 밸브(21)는 상기 A/C 냉각제 라디에이터(20)의 하류 및 상기 파워 트레인 냉각제 라디에이터(32)의 하류에 배치되어 상기 A/C 냉각제 회로 및 E-파워 트레인 냉각제 회로를 연통 또는 분리시키는 공조 및 배터리 냉각 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 A/C 냉각제 회로는 차량 캐빈을 난방하기 위한 난방 열 교환기(19)를 포함하고, 상기 난방 열 교환기(19)는 상기 A/C 냉각제 라디에이터(20)에 대해 병렬로 또는 선택적으로 연결될 수 있게 상기 A/C 냉각제 회로 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 공조 및 배터리 냉각 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 E-파워 트레인 냉각제 회로는 히터(23)를 포함하고, 상기 히터(23)는 상기 배터리 냉각기(25) 전방에 직렬로 연결되고 또한 상기 배터리 냉각기로의 바이패스가 형성되는 것을 특징으로 하는 공조 및 배터리 냉각 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 E-파워 트레인 냉각제 회로에서 냉각제 펌프(28) 또는 인버터(29) 또는 E-엔진 열 교환기(31)는 상기 배터리 냉각기(25)에 대해 병렬로 관류 가능하게 형성되는 것을 특징으로 하는 공조 및 배터리 냉각 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 냉동제 회로에서 팽창 기관(4)이 상기 응축기(3) 후방 및 상기 주변 열 교환기 전방에 배치되는 것을 특징으로 하는 공조 및 배터리 냉각 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 냉동제 회로에서 전방에 연결된 관련 팽창 기관(7)을 구비한 전방 증발기(10) 또는 전방에 연결된 관련 팽창 기관(8)을 구비한 후방 증발기(11)가 병렬로 연결되어 배치되고 또는 저압 수집기(13)가 상기 냉동제 회로에서 상기 압축기(2) 전방에 배치되는 것을 특징으로 하는 공조 및 배터리 냉각 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 냉동제 회로에서 내부 열 교환기(35)가 고압 측에서 상기 주변 열 교환기(5) 후방에 배치되는 것을 특징으로 하는 공조 및 배터리 냉각 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 냉동제 회로에서 내부 열 교환기(35)가 고압 측에서 상기 응축기(3) 후방에 배치되는 것을 특징으로 하는 공조 및 배터리 냉각 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 공조 및 배터리 냉각 장치(1)의 작동 방법에 있어서,
    배터리 급속 충전을 위한 냉각 능력 요구 시, 칠러(12)가 냉동제 회로에서 작동되고, 냉동제 회로로부터의 응축 열이 주변 열 교환기(5)를 통해 주변 공기(33)로, 응축기(3)를 통해 냉각제 회로로, 그리고 직렬로 연결된 A/C 냉각제 라디에이터(20) 및 파워 트레인 냉각제 라디에이터(32)를 통해 상기 주변 공기(33)로 방출되고, A/C 냉각제 회로와 E-파워 트레인 냉각제 회로는 4/2 방향 냉각제 밸브(21)를 통해 직렬로 연결되고, 배터리 냉각기(25)는 상기 냉동제 회로의 상기 칠러(12)와 함께 별도의 냉각제 회로를 형성하는 것을 특징으로 하는 공조 및 배터리 냉각 장치의 작동 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 냉동제 회로에서 상기 칠러(12) 외에, 차량 캐빈의 공조를 위한 냉기 생성을 위한 상기 전방 증발기(10) 또는 후방 증발기(11)가 추가로 작동되는 것을 특징으로 하는 공조 및 배터리 냉각 장치의 작동 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 공조 및 배터리 냉각 장치(1)의 작동 방법에 있어서,
    차량 캐빈의 공조 및 배터리 냉각을 위한 중간 정도의 냉각 능력 요구 시, 칠러(12) 및 전방 증발기(10) 또는 후방 증발기(11)가 냉동제 회로에서 작동되고, 상기 냉동제 회로로부터의 응축 열이 주변 열 교환기(5)를 통해 주변 공기(33)로, 응축기(3)를 통해 A/C 냉각제 회로로 그리고 A/C 냉각제 라디에이터(20)를 통해 상기 주변 공기(33)로 방출되고, 파워 트레인 냉각제 라디에이터(32)는 E-파워 트레인 냉각제 회로로부터의 폐열을 상기 주변 공기(33)로 방출하고, 배터리 냉각기(25)는 상기 냉동제 회로의 상기 칠러(12)와 함께 별도의 냉각제 회로를 형성하는 것을 특징으로 하는 공조 및 배터리 냉각 장치의 작동 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 공조 및 배터리 냉각 장치(1)의 작동 방법에 있어서,
    차량 캐빈의 공조를 위한 중간 정도의 냉각 능력 요구 시, 전방 증발기(10) 또는 후방 증발기(11)가 냉동제 회로에서 작동되고, 상기 냉동제 회로로부터의 응축 열이 주변 열 교환기(5)를 통해 주변 공기(33)로, 응축기(3)를 통해 A/C 냉각제 회로로 그리고 A/C 냉각제 라디에이터(20)를 통해 상기 주변 공기(33)로 방출되고, 파워 트레인 냉각제 라디에이터(32)는 E-파워 트레인 냉각제 회로로부터의 폐열을 상기 주변 공기(33)로 방출하는 것을 특징으로 하는 공조 및 배터리 냉각 장치의 작동 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 공조 및 배터리 냉각 장치(1)의 작동 방법에 있어서,
    능동 배터리 냉각을 위한 중간 정도의 냉각 능력 요구 시, 칠러(12)가 상기 냉동제 회로에서 작동되고, 상기 냉동제 회로로부터의 응축 열이 주변 열 교환기(5)를 통해 주변 공기(33)로, 응축기(3)를 통해 A/C 냉각제 회로로 그리고 A/C 냉각제 라디에이터(20)를 통해 상기 주변 공기(33)로 방출되고, 파워 트레인 냉각제 라디에이터(32)는 E-파워 트레인 냉각제 회로로부터의 폐열을 상기 주변 공기(33)로 방출하고, 배터리 냉각기(25)는 상기 냉동제 회로의 상기 칠러(12)와 함께 별도의 냉각제 회로를 형성하는 것을 특징으로 하는 공조 및 배터리 냉각 장치의 작동 방법.
  14. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 공조 및 배터리 냉각 장치(1)의 작동 방법에 있어서,
    수동 배터리 냉각 시, 파워 트레인 냉각제 라디에이터(32)가 E-파워 트레인 냉각제 회로로부터의 폐열을 주변 공기(33)로 방출하고, 배터리 냉각기(25)는 E-엔진 열 교환기(31) 또는 변환기(30) 또는 인버터(29)에 대해 병렬 연결되는 것을 특징으로 하는 공조 및 배터리 냉각 장치의 작동 방법.
  15. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 공조 및 배터리 냉각 장치(1)의 작동 방법에 있어서,
    온화한 주변 온도에서 재열 작동 시, 전방 증발기(10) 또는 후방 증발기(11)가 냉동제 회로에서 작동되고, 상기 냉동제 회로로부터의 응축 열이 주변 열 교환기(5)를 통해 주변 공기(33)로 그리고 응축기(3)를 통해 A/C 냉각제 회로 및 차량 캐빈용 공기를 재가열하기 위한 난방 열 교환기(19)로 방출되고, 파워 트레인 냉각제 라디에이터(32)는 E-파워 트레인 냉각제 회로로부터의 폐열을 상기 주변 공기(33)로 방출하고, 배터리 냉각기(25)는 E-엔진 열 교환기(31) 또는 변환기(30) 또는 인버터(29)에 대해 병렬 연결되는 것을 특징으로 하는 공조 및 배터리 냉각 장치의 작동 방법.
  16. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 공조 및 배터리 냉각 장치(1)의 작동 방법에 있어서,
    추운 주변 온도에서 재열 작동 시, 칠러(12), 전방 증발기(10) 또는 후방 증발기(11)가 냉동제 회로에서 작동되고, 상기 냉동제 회로로부터의 응축 열이 응축기(3)를 통해 A/C 냉각제 회로 및 차량 캐빈용 공기를 가열하기 위한 난방 열 교환기(19)로 방출되고, 배터리 냉각기(25)는 E-엔진 열 교환기(31) 또는 변환기(30) 또는 인버터(29)에 대해 병렬 연결되고, 상기 냉동제 회로의 상기 칠러(12)는 상기 배터리 냉각기(25) 및 병렬 연결된 E-파워 트레인 냉각제 회로와 함께 별도의 냉각제 회로를 형성하는 것을 특징으로 하는 공조 및 배터리 냉각 장치의 작동 방법.
  17. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 공조 및 배터리 냉각 장치(1)의 작동 방법에 있어서,
    추운 주변 온도에서 가열 작동 시, 주변 열 교환기(5)가 냉동제 회로에서 주변 공기(33)로부터의 열을 흡수하기 위한 증발기로서 연결되고, 상기 냉동제 회로로부터의 응축 열은 응축기(3)를 통해 A/C 냉각제 회로 및 차량 캐빈용 공기를 가열하기 위한 난방 열 교환기(19)로 방출되는 것을 특징으로 하는 공조 및 배터리 냉각 장치의 작동 방법.
  18. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 공조 및 배터리 냉각 장치(1)의 작동 방법에 있어서,
    추운 주변 온도에서 가열 작동 시, 칠러(12)가 냉동제 회로에서 작동되고, 상기 냉동제 회로로부터의 응축 열은 응축기(3)를 통해 A/C 냉각제 회로 및 차량 캐빈용 공기를 가열하기 위한 난방 열 교환기(19)로 방출되고, 상기 냉동제 회로의 상기 칠러(12)는 E-파워 트레인 냉각제 회로의 E-엔진 열 교환기(31) 또는 변환기(30) 및 인버터(29)와 함께 별도의 냉각제 회로를 형성하는 것을 특징으로 하는 공조 및 배터리 냉각 장치의 작동 방법.
  19. 제 18 항에 있어서, 주변 열 교환기(5)는 상기 냉동제 회로 내의 상기 칠러(12)에 추가해서 증발기로서 작동되는 것을 특징으로 하는 공조 및 배터리 냉각 장치의 작동 방법.
  20. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 공조 및 배터리 냉각 장치(1)의 작동 방법에 있어서,
    추운 주변 온도에서 가열 작동 시, 칠러(12)가 냉동제 회로에서 작동되고, 상기 냉동제 회로로부터의 응축 열은 응축기(3)를 통해 A/C 냉각제 회로 및 차량 캐빈용 공기를 가열하기 위한 난방 열 교환기(19)로 방출되고, 상기 냉동제 회로의 상기 칠러(12)는 E-파워 트레인 냉각제 회로의 추가 히터(23)와 함께 별도의 냉각제 회로를 형성하는 것을 특징으로 하는 공조 및 배터리 냉각 장치의 작동 방법.
  21. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 공조 및 배터리 냉각 장치(1)의 작동 방법에 있어서,
    추운 주변 온도에서 가열 작동 시, 주변 열 교환기(5)가 냉동제 회로에서 주변 공기(33)로부터의 열을 흡수하기 위한 증발기로서 연결되고, 상기 냉동제 회로로부터의 응축 열은 응축기(3)를 통해 A/C 냉각제 회로 및 차량 캐빈용 공기를 가열하기 위한 난방 열 교환기(19)로 방출되고, 배터리 냉각기(25)가 E-파워 트레인 냉각제 회로의 추가 히터(23)와 함께 상기 배터리 냉각기(25)를 가열하기 위한 별도의 냉각제 회로를 형성하는 것을 것을 특징으로 하는 공조 및 배터리 냉각 장치의 작동 방법.
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