KR102303482B1 - 차량용 열관리 시스템 및 방법 - Google Patents

차량용 열관리 시스템 및 방법 Download PDF

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한온시스템 주식회사
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Abstract

본 발명에서는 자율주행 차량용 전장부품(전자장치)을 각각 효율적으로 자체 냉각할 수 있고 열효율을 증대시켜 냉각 성능을 향상시킨 차량용 열관리 시스템 및 방법이 개시된다. 차량용 열관리 시스템은 차량의 자율주행에 필요한 전장부품을 자체의 냉각 구조를 통해 냉각하는 제1 열관리 시스템을 포함하고, 상기 제1 열관리 시스템은: 상기 전장부품의 발열에 의해 내부의 냉매가 증발부에서 증발하고 상기 증발된 냉매가 응축부(220)에서 냉각되어 다시 상기 증발부로 순환하는 루프형 히트파이프를 구비한다.

Description

차량용 열관리 시스템 및 방법{VEHICLE THERMAL MANAGEMENT SYSTEM AND METHOD}
본 발명은 차량용 열관리 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자율주행 시스템의 전자장치를 냉각 또는 가열하기 위한 차량용 열관리 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 차량의 자율주행 시스템(Autonomous system)에는 컴퓨터, 라이더(Lidar), 레이더(Radar), 센서 등의 전자장치(Electronics)가 구비된다. 차량의 자율주행을 위해서는 전술한 전자장치를 포함한 전장부품을 냉각 또는 가열하는 일련의 열관리가 필수적으로 요구된다.
한편, 선 출원된 미국등록특허 제7841431호(2010.11.30)에는 동력전달 냉각 서브시스템(Power train cooling subsystem)과, 냉장 서브시스템(Refrigeration subsystem)과, 배터리 냉각 서브시스템(Battery cooling subsystem)과, HVAC 서브시스템(Heating, ventilation and cooling subsystem)으로 구성되는 차량 열관리 시스템이 개시된바 있다.
종래의 차량용 열관리 시스템은 냉각제와 열교환기를 포함하는 냉각 서브시스템과, 가열 수단과 냉각 수단을 갖는 제1 냉각제 루프를 갖는 HVAC 서브시스템과, 라디에이터를 갖고 제2 냉각제 루프를 갖는 동력전달 냉각 서브시스템과, 제1 냉각제 루프와 제2 냉각제 루프를 제어 가능하게 연결하도록 하는 수단을 포함하여 이루어진다.
이러한 제1 냉각제 루프에는 냉매가 유동하며, 전동 압축기와, 컨덴서와, 팽창 밸브 및 칠러가 냉매의 유동 방향으로 순차로 구비된다. 전동 압축기는 냉매를 흡입하여 압축한 후 고온 고압의 기체 상태로 배출한다. 컨덴서는 블로워에서 송풍되는 공기와 냉매를 열교환시킨다. 팽창 밸브는 컨덴서와 칠러의 사이에 배치되어 냉매를 팽창시킨다. 칠러는 팽창 밸브에서 팽창된 저온저압의 냉매를 냉각수 라인의 냉각수와 열교환시킨다.
또한, 제2 냉각제 루프에는 내부에 냉각수가 유동하며, 모터와 같은 동력전달수단을 냉각 또는 가열한다. 모터와 열교환되고 순환되어 유입된 냉각수는 저온 라디에이터(LTR)를 지나 열저장부로 흐르거나 칠러를 통과하면서 냉매와 열교환되어 냉각된 후 열저장부로 흐른다. 냉각수 라인에는 냉각수를 순환시키는 워터 펌프가 구비된다.
종래의 차량용 열관리 시스템은 시스템의 고장시 열원부를 안정적이고 지속적으로 냉각할 수 없고, 이로 인해 자율주행 차량에 적용할 경우 자율주행 자체가 불가능해질 수 있다. 최악의 상황에는 자율주행 오작동 발생으로 인해 사고가 발생할 수 있다.
또한, 종래의 차량용 열관리 시스템은 차량 상당 부분의 패키지(Package) 공간이 필요함에 따라 적용성에 문제가 발생할 수 있다. 아울러, 작은 공간에서 많은 용량의 냉각 성능이 요구되는 경우, 블로워의 사이즈가 커지는 문제가 있다.
또한, 하나의 모듈에서 외기를 흡입하고 온도가 상승된 공기는 다시 외부로 배출하여야 하므로, 외부로 분출되는 구조에서 다시 흡입구로 역류하는 문제가 있어 냉각 성능 및 효율이 저하되는 문제점이 있다. 이를 방지하기 위한 구조를 설치하기 위해서는 별도의 에어 덕트가 필요하게 되어 차량 설치 패키지에서 설계 제약이 따르는 문제점이 있다.
특허문헌 1 : 미국등록특허 제7841431호(2010.11.30) 특허문헌 2 : 일본공개특허 제2000-146471호(2000.05.26)
이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 자율주행 차량용 전장부품(전자장치)을 각각 효율적으로 자체 냉각할 수 있고 열효율을 증대시켜 냉각 성능을 향상시킨 차량용 열관리 시스템 및 방법을 제공한다.
또한, 본 발명에서는 자율주행 차량용 전장부품(전자장치)에 대한 열관리를 위한 수단을 복수화, 다중화 및 다양화 구성하고 이들 간의 효율적인 연동을 수행할 수 있는 차량용 열관리 시스템 및 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 차량용 열관리 시스템은 차량의 자율주행에 필요한 전장부품을 자체의 냉각 구조를 통해 냉각하는 제1 열관리 시스템을 포함하고, 상기 제1 열관리 시스템은: 상기 전장부품의 발열에 의해 내부의 냉매가 증발부에서 증발하고 상기 증발된 냉매가 응축부(220)에서 냉각되어 다시 상기 증발부로 순환하는 루프형 히트파이프를 구비한다.
상기에서, 증발부는 전장부품에 구비되어 전장부품 발열체와 열교환한다.
상기에서, 증발부와 응축부 중 적어도 하나의 내부에 윅(Wick) 구조를 갖는다.
상기에서, 증발부 및 응축부는 모두 윅 구조를 가지며, 증발부 윅은 단면이 사각형 윅 구조로 이루어지고, 응축부 윅은 단면이 원형 윅 구조로 이루어진다.
상기에서, 증발부는 복수개로 이루어지고, 각 증발부는 각 전장부품의 발열체에 배치된다.
상기에서, 응축부는 하나의 모듈 내에 복수개의 영역으로 분할 형성되고, 각 분할된 영역에 각 증발부가 연결된다.
상기에서, 응축부는 냉각제에 의해 냉각되는 복수개의 열교환기를 구비하고, 각 열교환기에는 제1 연결부가 마련되며, 상기 증발부와 연결되는 냉매 유로에 제2 연결부가 구비되고, 상기 제2 연결부가 제1 연결부에 선택적으로 연결된다.
상기에서, 증발부에서 증발된 냉매가 상기 응축부로 유동하는 통로인 기체냉매 유로; 및 상기 응축부에서 응축된 냉매가 상기 증발부로 유동하는 통로인 액체냉매 유로를 포함하고, 상기 기체냉매 유로 및 액체냉매 유로는 플렉시블(Flexible)한 배관으로 이루어진다.
본 발명의 다른 양상에 따른 차량용 열관리 시스템은 차량의 자율주행에 필요한 전장부품을 자체의 냉각 구조를 통해 냉각하는 제1 열관리 시스템과, 별도의 냉매 또는 냉각제 사이클을 이용하여 전장부품을 냉각하는 제2 열관리 시스템을 포함하고, 상기 제1 열관리 시스템은 전장부품과 열교환하는 증발부를 구비하며, 상기 증발부는 다중의 배관 라인을 구비하고, 각 배관 라인이 제1 열관리 시스템과 제2 열관리 시스템의 서로 다른 냉각 수단에 연결된다.
상기에서, 각 배관 라인은 선택적으로 각 냉각 수단의 열원을 이용한다.
상기에서, 증발부는 전장부품의 발열체에 접촉하는 판 형상의 콜드 플레이트를 구비한다.
상기에서, 배관 라인은 상기 제1 열관리 시스템과 열교환하는 제1 배관과, 상기 제2 열관리 시스템과 열교환하는 제2 배관을 구비하며, 상기 제1 배관에 냉매가 유동하고 상기 제2 배관부에 냉각수가 유동한다.
본 발명에 따른 차량용 열관리 방법은 차량의 자율주행에 필요한 전장부품 발열체의 온도를 측정하는 단계; 안전 모드 진입 여부를 판단하는 단계; 안전 모드 진입이 아닌 경우, 상기 발열체의 온도를 제1 기준온도와 비교하는 단계; 상기 발열체의 온도가 제1 기준온도 이상인 경우, 전장부품을 자체의 냉각 구조를 통해 냉각하는 제1 열관리 시스템을 작동하는 단계; 상기 발열체의 온도를 제2 기준온도와 비교하는 단계; 상기 발열체의 온도가 제2 기준온도 이상인 경우, 별도의 냉매 또는 냉각제 사이클을 이용하여 전장부품을 냉각하는 제2 열관리 시스템을 작동하는 단계; 상기 발열체의 온도를 제3 기준온도와 비교하는 단계; 및 상기 발열체의 온도가 제3 기준온도 이상인 경우, 알람을 작동하는 단계를 포함한다.
상기에서, 안전 모드 진입 여부를 판단하는 단계에서 안전 모드 진입인 경우, 상기 제2 열관리 시스템을 작동하는 단계를 수행한다.
상기에서, 안전 모드는 외기 고온, 아이들(Idle), 발열체 고온, 실내 고온 중 적어도 하나 또는 이들의 조합의 특정조건을 만족하는 방열성능저하 상태인 경우 수행된다.
본 발명에 따른 차량용 열관리 시스템 및 방법은 발열체의 열을 흡열하고 보다 방열이 유리한 위치인 냉각유체 측에서 방열이 되도록 구성되어, 높은 냉각 효율과 컴펙트한 구성을 갖는다. 또한, 루프형 히트파이프의 구성을 통해, 다공층의 윅 구조에 의해 모세관력이 발생하여 펌프를 요구하지 않으면서 냉매가 순환되어 무동력으로 작동하면서 반영구적인 내구성을 갖는다.
아울러, 멀티 써멀 터미널(Multi Thermal terminal) 구조를 통해, 확장성 측면에서 유리하고 간단한 구성으로 효과적인 방열을 수행할 수 있으며, 전장부품 중 발열이 상대적으로 큰 발열체와 발열이 상대적으로 작은 발열체에 대한 방열량을 적절히 선택하여 최적의 냉각 효율을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 열관리 시스템을 개략적으로 도시한 구성도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제1 열관리 시스템을 도시한 것이며,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 응축부 윅의 내부를 도시한 사시도이고,
도 4는 도 3의 단면도이며,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 증발부 윅의 내부를 도시한 사시도이고,
도 6은 도 5의 단면도이며,
도 7은 도 2의 변형 예에 따른 제1 열관리 시스템을 도시한 것이고,
도 8은 도 7의 응축부를 확대 도시한 사시도이며,
도 9는 본 발명의 변형 예에 따른 차량용 열관리 시스템을 개략적으로 도시한 것이고,
도 10은 도 9의 구성도이며,
도 11 및 도 12는 도 10의 작동 예를 도시한 것이고,
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 열관리 방법을 도시한 흐름도이다.
이하 첨부된 도면에 따라서 차량용 열관리 시스템 및 방법의 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 열관리 시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 열관리 시스템은 자율주행 차량(100)의 컴퓨터(112), 라이더, 레이더, 센서(111) 등의 전장부품(전자장치: 110)을 냉각 또는 가열하는 일련의 열관리를 수행하는 것으로서, 제1 열관리 시스템(200)과 제2 열관리 시스템(400)을 포함한다. 제2 열관리 시스템(400)은 별도의 냉매 또는 냉각제 사이클을 이용하여 전장부품(110)을 냉각하며, 상세한 구성은 이후에 설명한다.
제1 열관리 시스템(200)은 셀프쿨링 시스템(Self cooling system)으로서, 자율주행 차량의 전장부품(110)을 자체의 냉각 구조를 통해 냉각한다. 제1 열관리 시스템(200)은 방열, 전도, 대류 중 적어도 하나를 이용하여 전장부품(110)의 냉각을 수행하며, 별도의 동력원, 예를 들어 전동 압축기(냉매 사이클)를 구비하지 않고 자체의 기구적인 냉각 구조를 통해 전장부품(110)의 냉각을 수행한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제1 열관리 시스템을 도시한 것이며, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 응축부 윅의 내부를 도시한 사시도이고, 도 4는 도 3의 단면도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 증발부 윅의 내부를 도시한 사시도이고, 도 6은 도 5의 단면도이다.
도 2 내지 도 6을 참조하면, 제1 열관리 시스템(200)은 루프형 히트파이프(Loop Heat Pipes)를 구비한다. 루프형 히트파이프는 전장부품(110)의 발열에 의해 내부의 냉매가 전장부냉각모듈(210)에서 증발하고, 증발된 냉매가 응축부(220)에서 냉각되어 다시 전장부냉각모듈(210)로 순환하도록 이루어진다.
더욱 구체적으로는, 제1 열관리 시스템(200)은 전장부냉각모듈(210)에서 증발된 냉매가 응축부(220)로 유동하는 통로인 기체냉매 유로(230)와, 응축부(220)에서 응축된 냉매가 전장부냉각모듈(210)로 유동하는 통로인 액체냉매 유로(240)를 포함한다.
발열체의 발열에 의해 전장부냉각모듈(210) 내부의 냉매가 증발하여 기체 상태로 기체냉매 유로(230)를 통해 응축부(220)로 이동되며, 냉매는 응축부(220)에서 방열팬(250)에 의해 냉각되어 액상으로 변화하여 액체냉매 유로(240)를 통해 다시 전장부냉각모듈(210)로 이동한다.
루프형 히트파이프는 다공성 형상으로 이루어진 윅(Wick) 구조를 갖는다. 윅 구조는 전장부냉각모듈(210)와 응축부(220) 중 적어도 하나의 내부에 마련된다. 윅 구조를 통해 모세관 현상에 의한 펌핑력이 발생하여 별도의 펌프를 구비하지 않고 냉매의 순환이 가능하다.
본 실시 예에서, 전장부냉각모듈(210) 및 응축부(220)는 모두 윅 구조를 갖는다. 도 3 및 도 4에 도시된 것처럼, 응축부 윅(221)은 단면이 원형 윅 구조로 이루어진다. 아울러, 도 5 및 도 6에 도시된 것처럼, 증발부 윅(211)은 단면이 사각형 윅 구조로 이루어진다. 전장부냉각모듈(210) 및 응축부(220)는 모두 윅 구조를 가짐에 따라, 증발부에만 윅 구조를 갖는 구성과 비교하여 모세관력을 보다 증대시켜 열전달 성능을 향상시킬 수 있다.
전장부냉각모듈(210)는 전장부품(110)에 구비되어 전장부품(210) 발열체와 열교환한다. 바람직하게는, 전장부냉각모듈(210)는 단면이 사각형 형상(판 형상)으로 이루어지고, 그 내부의 증발부 윅(211)의 단면도 이에 대응되는 사각형 윅 구조로 이루어진다. 전장부냉각모듈(210)는 전장부품(110)의 발열소자(발열체)와 직접 접촉하여 전도에 의해 발열소자를 냉각한다. 발열소자는 주로 면발열을 이루는 판상형으로 이루어지므로, 전장부냉각모듈(210)의 증발부 윅(211)이 사각형 윅 구조로 이루어져 발열소자의 열을 보다 효율적으로 회수할 수 있다.
응축부(220)는 방열팬(250)을 구비하여 공랭식으로 냉각되거나 냉각수(냉각제)를 이용한 수냉식으로 이루어질 수 있다. 응축부(220)는 원통형 형상으로 이루어지고 그 내부의 응축부 윅(221)의 단면도 이에 대응되는 원형 윅 구조로 이루어진다. 즉, 응축부(220)는 방열핀의 구성이 용이한 원형 튜브 형태의 냉매관으로 이루어지며, 이 관 내부에 원형의 윅 구조를 가져 열전달 효율이 향상된다.
이와 같이 전장부냉각모듈(210)와 응축부(220) 모두에 마련되는 더블 윅 구조로 인해, 증발구(210)와 응축부(220)의 열전달 성능이 크게 향상되고, 모세관력의 증대로 인해 보다 작은 응축부 사이즈로도 높은 열전달 효율을 달성할 수 있다.
제1 열관리 시스템(200)은 컴퓨터(112), 라이더, 레이더, 센서(111) 등의 차량용 파워소자, 발열소자 등에서 발생하는 국부적인 열을 방열시키기 위한 것이다. 제1 열관리 시스템(200)은 높은 열전달 계수로 발열체의 열을 흡열하고, 보다 방열이 유리한 위치인 냉각유체 측에서 방열이 되도록 구성되어, 높은 냉각 효율과 컴펙트한 구성을 갖는다. 또한, 루프형 히트파이프의 구성을 통해, 다공층의 윅 구조에 의해 모세관력이 발생하여 펌프를 요구하지 않으면서 냉매가 순환되어 무동력으로 작동하면서 반영구적인 내구성을 갖는다.
도 7은 도 2의 변형 예에 따른 제1 열관리 시스템을 도시한 것이고, 도 8은 도 7의 응축부를 확대 도시한 사시도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 전장부냉각모듈(210)는 복수개로 이루어진다. 이 경우, 각 전장부냉각모듈(210)는 각 전장부품(110)의 발열체에 배치된다. 예를 들어, 제1 증발부는 제1 발열소자에 배치되어 열교환되고, 제2 증발부는 제2 발열소자에 배치되어 열교환되며, 제3 증발부는 파워소자에 배치되어 열교환될 수 있다. 이와 같이, 복수의 전장부냉각모듈(210)는 각각의 전장부품(110)의 발열체에 배치되어 발열체를 각각 냉각시킨다.
응축부(220)는 하나의 모듈 내에 복수개의 영역으로 분할 형성되고, 각 분할된 영역에 각 전장부냉각모듈(210)가 연결된다. 이 경우, 기체냉매 유로(230) 및 액체냉매 유로(240)는 플렉시블(Flexible)한 배관으로 이루어진다. 플렉시블한 소재의 유로를 구성함에 따라, 복수개의 전장부냉각모듈(210)를 갖는 경우, 각각 다른 위치에 있는 발열체를 하나의 응축부(220)로 이송하여 방열이 가능해지며, 시스템의 구성이 간단하고 컴펙트해지며 원가를 절감할 수 있다.
도 8에 도시된 것처럼 응축부(220)는 하나의 모듈 내에 부분적으로 탱크 및 매니폴드(229) 분할 구조를 통해, 일부 면적은 제1 응축부로 형성하고 다른 일부 면적은 제2 응축부로 형성하여 여러개의 응축부를 분할 사용 가능하다.
이와 같이, 멀티 써멀 터미널(Multi Thermal terminal) 구조를 통해, 확장성 측면에서 유리하고 간단한 구성으로 효과적인 방열을 수행할 수 있으며, 전장부품(110) 중 발열이 상대적으로 큰 발열체와 발열이 상대적으로 작은 발열체에 대한 방열량을 적절히 선택하여 최적의 냉각 효율을 얻을 수 있다.
한편, 도 9는 본 발명의 변형 예에 따른 차량용 열관리 시스템을 개략적으로 도시한 것이고, 도 10은 도 9의 구성도이며, 도 11 및 도 12는 도 10의 작동 예를 도시한 것이다. 본 실시 예에서는 전술한 실시 예와 비교하여 차이가 있는 구성에 대해서만 상세히 설명하기로 한다.
도 9 내지 도 12를 더 참조하면, 본 발명의 변형 예에 따른 차량용 열관리 시스템은 제1 열관리 시스템(200)과 제2 열관리 시스템(400)을 포함한다. 제1 열관리 시스템(200)은 차량의 자율주행에 필요한 전장부품(110)을 자체의 냉각 구조를 통해 냉각한다. 제2 열관리 시스템(400)은 별도의 냉매 또는 냉각제 사이클을 이용하여 전장부품(110)을 냉각한다.
제1 열관리 시스템(200)은 루프형 히트파이프(Loop Heat Pipes)를 구비한다. 루프형 히트파이프는 전장부품(110)의 발열에 의해 내부의 냉매가 전장부냉각모듈(210)에서 증발하고, 증발된 냉매가 응축부(220)에서 냉각되어 다시 전장부냉각모듈(210)로 순환하도록 이루어진다. 제1 열관리 시스템(200)은 전장부냉각모듈(210)에서 증발된 냉매가 응축부(220)로 유동하는 통로인 기체냉매 유로(230)와, 응축부(220)에서 응축된 냉매가 전장부냉각모듈(210)로 유동하는 통로인 액체냉매 유로(240)를 포함한다. 루프형 히트파이프는 다공성 형상으로 이루어진 윅(Wick) 구조를 갖는다.
전장부냉각모듈(210)는 전장부품(110)과 열교환하는 것으로서, 다중의 배관 라인을 구비한다. 각 배관 라인은 제1 열관리 시스템(200)과 제2 열관리 시스템(400)의 서로 다른 냉각 수단에 연결된다. 본 실시 예에서, 배관 라인은 2중의 라인으로 구성되며, 하나의 냉각 수단은 제1 열관리 시스템(200)의 응축부(220)이며 다른 하나의 냉각 수단은 제2 열관리 시스템(400)의 칠러(414)이다.
응축부(220)는 냉각제에 의해 냉각되는 복수개의 열교환기를 구비한다. 각 열교환기에는 암플러그(Female plug) 형태의 제1 연결부가 마련되며, 전장부냉각모듈(210)와 연결되는 냉매 유로에 수플러그(Male plug) 형태의 제2 연결부가 구비된다. 제2 연결부는 제1 연결부에 삽입되어 냉매가 각 열교환기와 열교환된다. 제2 연결부는 제1 연결부에 선택적으로 연결됨에 따라, 방열부하에 따라 적절히 복수개의 열교환기 중 가동하는 개수를 제어할 수 있다.
전장부냉각모듈(210)는 전장부품(110)의 발열체에 접촉하는 판 형상의 콜드 플레이트(219)를 구비한다. 콜드 플레이트(219)는 발열체에 면접촉하여 전도에 의해 발열체를 냉각한다. 배관 라인은 제1 열관리 시스템(200)과 열교환하는 제1 배관(216)과, 제2 열관리 시스템(400)과 열교환하는 제2 배관(217)을 구비한다. 콜드 플레이트(219)에는 제1 배관(216)과 제2 배관(217)이 전체적으로 고르게 매설된다. 제1 배관(216)에는 냉매가 유동하며, 제2 배관(217)부에 냉각수가 유동한다. 각 배관 라인은 선택적으로 각 냉각 수단의 열원을 이용한다.
도 10을 참조하면, 제2 열관리 시스템(400)은 냉매의 유동 통로인 냉매라인(415)과, 압축기(411)와, 냉매를 공기와 열교환시켜 응축시키는 컨덴서(412)와, 냉매를 팽창시키는 팽창밸브(413)와, 냉매와 냉각수를 열교환시키는 칠러(414)와, 냉각수라인(424)을 구비한다.
압축기(411)는 냉매를 흡입하여 압축한 후 고온 고압의 기체 상태로 배출한다. 압축기(411)는 전동 압축기로 구성되는 것이 바람직하다. 컨덴서(412)는 블로워(417)에서 송풍되는 공기와 압축기(411)에서 배출된 고온 고압의 냉매를 열교환시킨다.
팽창 밸브(413)는 컨덴서(412)와 칠러(414)의 사이에 배치되어 냉매를 팽창시킨다. 칠러(414)는 팽창 밸브(413)에서 팽창된 저온저압의 냉매를 냉각수라인(424)의 냉각수와 열교환시킨다. 냉각수라인(424)은 전장부품(110)과 열교환된 냉각수의 유동 통로이며, 칠러(414)를 통과한다. 냉각수라인(424)은 연결배관(450)에 연결되어 전장부냉각모듈(210)를 순환한다.
냉각수라인(424)에는 냉각수를 가열하는 히터(422)가 구비될 수 있다. 또한, 냉각수라인(424)에는 냉방 열원 또는 난방 열원을 저장하는 열저장부(418)와, 냉각수를 순환시키는 워터펌프(419)와, 냉각수의 온도를 감지하는 냉각수온 센서(423)를 구비한다.
아울러, 제3 시스템(400)은 분지라인(421)과, 저온 라디에이터(416) 및 밸브(420)를 구비한다. 분지라인(421)은 냉각수라인(424)에서 분지되어, 칠러(414)를 바이패스한다. 저온 라디에이터(416)는 분지라인(421)에 구비되어 블로워(417)에서 송풍되는 공기와 냉각수를 열교환시킨다.
밸브(420)는 냉각수라인(424)과 분지라인(421)의 분지지점에 구비되어, 전장부품(110)을 순환한 냉각수가 칠러(414)와 저온 라디에이터(416) 중 적어도 하나로 선택적으로 유동하도록 냉각수의 흐름을 조절한다. 밸브(420)는 냉각수를 칠러(414)와 저온 라디에이터(416) 중 하나로 흐르도록 하거나 둘 모두에 흐르도록 작동할 수 있다. 전장부품(110)을 순환하며 폐열을 회수한 고온의 냉각수는 칠러(414)를 통과하며 냉각된다.
도 11은 제1 열관리 시스템만을 이용하여 전장부품의 쿨링을 수행하는 모드를 도시한 것이다. 도 11을 참조하면, 제2 열관리 시스템(400)은 작동되지 않으며, 제1 열관리 시스템(200)만으로 전장부품(110)의 냉각을 수행한다.
도 12는 제1 열관리 시스템과 제2 열관리 시스템을 이용하여 전장부품의 쿨링을 수행하는 모드를 도시한 것이다. 도 12를 참조하면, 제1 열관리 시스템(200)을 통해 전장부품(110)의 냉각을 수행함과 아울러, 제2 열관리 시스템(400)이 작동된다.
압축기(411)에서 배출된 냉매는 컨덴서(412), 팽창밸브(413) 및 칠러(414)를 순차로 냉매라인(415)을 따라 유동한다. 연결배관(450)을 통해 유동하는 냉각수는 전장부품(110)과 열교환되어 폐열을 회수하고 냉각수라인(424)을 통해 열저장부(418)를 지나 밸브(420)를 통해 일부의 냉각수는 칠러(414)로 흐르며, 다른 일부의 냉각수는 분지라인(421)을 따라 저온 라디에이터(416)로 흘러 냉각된다. 칠러(414)를 통과하는 냉각수는 냉매라인(415)에서 팽창밸브(413)를 지난 저온 저압의 냉매와 열교환되어 냉각된 후 저온 라디에이터(416)를 통과한 냉각수와 합류하여 히터(422)를 통과한다. 이 경우, 히터(422)는 오프(Off)되어 있다.
한편, 도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 열관리 방법을 도시한 흐름도이다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 열관리 방법은 차량의 자율주행에 필요한 전장부품(110) 발열체의 온도를 측정하는 단계(S10)와, 안전 모드 진입 여부를 판단하는 단계(S20)와, 안전 모드 진입이 아닌 경우 발열체의 온도를 제1 기준온도(T1)와 비교하는 단계(S30)와, 발열체의 온도가 제1 기준온도(T1) 이상인 경우 제1 열관리 시스템(200)을 작동하는 단계(S40)와, 발열체의 온도를 제2 기준온도(T2)와 비교하는 단계(S50)와, 발열체의 온도가 제2 기준온도(T2) 이상인 경우 제2 열관리 시스템(400)을 작동하는 단계(S60)와, 발열체의 온도를 제3 기준온도(T3)와 비교하는 단계(S70)와, 발열체의 온도가 제3 기준온도(T3) 이상인 경우 알람을 작동하는 단계(S80)를 포함한다.
만약, 안전 모드 진입 여부를 판단하는 단계(S20)에서 안전 모드 진입인 경우, 제2 열관리 시스템(400)을 작동하는 단계(S60)를 수행한다. 안전 모드는 외기 고온, 아이들(Idle), 발열체 고온, 실내 고온 중 적어도 하나 또는 이들의 조합의 특정조건을 만족하는 방열성능저하 상태인 경우 수행된다.
즉, 제어부는 외기가 기준치 이상으로 고온인지 여부, 아이들 상태인지 여부, 발열체가 기준치 이상으로 고온인지 여부, 실내 온도가 기준치 이상으로 고온인지 여부 등의 특정조건을 판단하여, 특정조건 해당 시 방열성능이 저하된 상태로 판단한다. 제어부는 방열성능저하 상태인 경우, 안전 모드(Safety Mode)로 진입한다.
발열체의 온도를 제1 기준온도(T1)와 비교하는 단계(S30)에서, 발열체의 온도가 제1 기준온도(T1) 미만인 경우, 다시 안전 모드 진입 여부를 판단하는 단계(S20)를 수행한다.
또한, 발열체의 온도를 제2 기준온도(T2)와 비교하는 단계(S50)에서, 발열체의 온도가 제2 기준온도(T2) 미만인 경우, 제2 열관리 시스템(400) 냉각 작동을 정지하고 다시 안전 모드 진입 여부를 판단하는 단계(S20)를 수행한다.
아울러, 발열체의 온도를 제3 기준온도(T3)와 비교하는 단계(S70)에서, 발열체의 온도가 제3 기준온도(T3) 미만인 경우, 발열체의 온도를 제2 기준온도(T2)와 비교하는 단계(S50)를 수행한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 열관리 방법은 열관리 장치가 발열체와 맞닿아 있는 콜드 플레이트(전장부냉각모듈)에 주 냉각(LHP 쿨링: 루프형 히트파이프) 라인과 보조 냉각(제2 열관리 시스템) 라인이 이중으로 배치되어 있고, 발열체 냉각시 주 냉각이 우선으로 작동하고 냉각 성능이 부족한 경우 보조 냉각을 수행하는 제어 방식이다.
차량용 열관리 방법은 외기 고온, 아이들, 발열체 고온, 실내 고온 등 방열 성능이 저하되는 특정조건 해당 시, 보조 냉각 작동 온도 이하라 하더라도 선제적으로 보조 냉각(제2 열관리 시스템)을 실시함으로써, 냉각 성능을 증대시킬 수 있다. 아울러, 에러 및 결함 발생시 냉각 성능 확보를 위하여 선제적으로 보조 냉각을 수행한다.
지금까지 본 발명에 따른 차량용 열관리 시스템 및 방법은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당업자라면 누구든지 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 자율주행 차량 110: 전장부품
200: 제1 열관리 시스템 210: 전장부냉각모듈
211: 증발부 윅 216: 제1 배관
217: 제2 배관 219: 콜드 플레이트
220: 응축부 221: 응축부 윅
230: 기체냉매 유로 240: 액체냉매 유로
250: 방열팬
400: 제3 열관리 시스템 411: 압축기
412: 컨덴서 413: 팽창밸브
414: 칠러 415: 냉매라인
416: 저온 라디에이터 419: 워터펌프
421: 분지라인

Claims (15)

  1. 차량의 자율주행에 필요한 전장부품(110)을 자체의 냉각 구조를 통해 냉각하는 제1 열관리 시스템(200)과, 별도의 냉매 또는 냉각제 사이클을 이용하여 전장부품(110)을 냉각하는 제2 열관리 시스템(400)을 포함하고,
    전장부품(110)과 열교환하는 전장부냉각모듈(210)을 구비하며,
    상기 전장부냉각모듈(210)은 내부에 다중의 배관 라인을 구비하고, 각 배관 라인이 제1 열관리 시스템(200)과 제2 열관리 시스템(400)의 서로 다른 냉각 수단에 연결되되,
    상기 제1 열관리 시스템(200)은 응축부(220)를 가지며 압축기를 이용하지 않는 무동력 운행되며,
    상기 제2 열관리 시스템(400)은 압축기(411), 컨덴서(412), 팽창밸브(413), 칠러(414)를 순환하는 냉매라인(415)을 구비하여 동력으로 운행되고,
    상기 전장부냉각모듈(210)은 전장부품(110)의 폐열을 제1 열관리 시스템(200)의 응축부(220)를 이용해 냉각하거나, 제2 열관리 시스템(400)의 칠러(414)를 이용해 냉각하거나, 제1 열관리 시스템(200) 및 제2 열관리 시스템(400) 모두를 이용해 냉각을 수행하는 차량용 열관리 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 각 배관 라인은 선택적으로 각 냉각 수단의 열원을 이용하는 차량용 열관리 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 전장부냉각모듈(210)은 전장부품(110)의 발열체에 접촉하는 판 형상의 콜드 플레이트를 구비하는 차량용 열관리 시스템.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 배관 라인은 상기 제1 열관리 시스템(200)과 열교환하는 제1 배관(216)과, 상기 제2 열관리 시스템(400)과 열교환하는 제2 배관(217)을 구비하며, 상기 제1 배관(216)에 냉매가 유동하고 상기 제2 배관(217)부에 냉각수가 유동하는 차량용 열관리 시스템.
  5. 삭제
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 전장부냉각모듈(210)은 전장부품(110)에 구비되어 전장부품(110) 발열체와 열교환하는 차량용 열관리 시스템.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 전장부냉각모듈(210)과 응축부(220) 중 적어도 하나의 내부에 윅(Wick) 구조를 갖는 차량용 열관리 시스템.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 전장부냉각모듈(210) 및 응축부(220)는 모두 윅 구조를 가지며,
    전장부냉각모듈(210)의 증발부 윅(211)은 단면이 사각형 윅 구조로 이루어지고, 응축부(220)의 응축부 윅(221)은 단면이 원형 윅 구조로 이루어지는 차량용 열관리 시스템.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 전장부냉각모듈(210)은 복수개로 이루어지고, 각 전장부냉각모듈(210)은 각 전장부품(110)의 발열체에 배치되는 차량용 열관리 시스템.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 응축부(220)는 하나의 모듈 내에 복수개의 영역으로 분할 형성되고, 각 분할된 영역에 각 전장부냉각모듈(210)이 연결되는 차량용 열관리 시스템.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 응축부(220)는 냉각제에 의해 냉각되는 복수개의 열교환기를 구비하고, 각 열교환기에는 제1 연결부가 마련되며, 상기 전장부냉각모듈(210)과 연결되는 냉매 유로에 제2 연결부가 구비되고,
    상기 제2 연결부가 제1 연결부에 선택적으로 연결되는 차량용 열관리 시스템.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 전장부냉각모듈(210)에서 증발된 냉매가 상기 응축부(220)로 유동하는 통로인 기체냉매 유로(230); 및 상기 응축부(220)에서 응축된 냉매가 상기 전장부냉각모듈(210)로 유동하는 통로인 액체냉매 유로(240)를 포함하고,
    상기 기체냉매 유로(230) 및 액체냉매 유로(240)는 플렉시블(Flexible)한 배관으로 이루어지는 차량용 열관리 시스템.
  13. 삭제
  14. 삭제
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