KR20180116382A - 열 관리 시스템, 특히 하이브리드 자동차용 열 관리 시스템 - Google Patents

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KR20180116382A
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윌리엄스 마르탱
아르노 베레이자잇
기욤 서몽
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르노 에스.아.에스.
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Abstract

본 발명에 따르면, 적어도 하나의 열 엔진 및 하나의 전기 모터(12)를 포함하는 하이브리드 자동차용 열 관리 시스템에 있어서, 상기 시스템(10)은 적어도: 상기 열 엔진을 냉각시키기 위한 제1냉각회로(14)와, 상기 전기 모터(12) 및 관련된 전력 전자 수단(18)을 냉각시키기 위한 제2냉각회로(16)를 포함한다. 상기 제2냉각회로(16)는 차량의 승객구획부를 가열하기 위해 적어도 하나의 가열 라디에이터(20)를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차용 열 관리 시스템을 제공한다.

Description

열 관리 시스템, 특히 하이브리드 자동차용 열 관리 시스템
본 발명은 열 관리 시스템, 특히 하이브리드 자동차용 열 관리 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 적어도 하나의 열 엔진 및 하나의 전기 모터를 포함하는 하이브리드 자동차용 열 관리 시스템에 관한 것으로, 상기 시스템은 적어도 다음을 포함한다.
- 적어도 하나의 제1냉매를 순환시킴으로써 차량의 열 엔진을 냉각시키기 위한 제1냉각회로와,
- 적어도 하나의 제2냉매를 순환시킴으로써 적어도 전기 모터 및 상기 전기 모터와 관련된 전력 전자 수단을 냉각시키기 위한 제2냉각회로.
특히 하이브리드 자동차에서 구현되는 이러한 열 관리 시스템(열 관리 시스템으로 지칭됨)의 예는 종래기술로부터 알려져 있다.
자동차 분야에서 "하이브리드(hybrid)"라는 용어는 차량에 두 가지 유형의 에너지를 사용하는 두 가지 유형의 구동 시스템이 장착되어 있음을 의미한다.
하이브리드 자동차는 특히, 차량이 이동하는데 필요한 에너지를 일반적으로 제공하는 적어도 하나의 열 엔진과, 그 작동을 최적화하는데 도움을 주는 하나 이상의 전기 모터를 포함한다.
알려진 방식으로, 하이브리드 자동차에 대한 3가지 주요 제품군 "마이크로(micro)-하이브리드", "마일드(mild)-하이브리드" 및 "풀(full)-하이브리드"로 식별될 수 있으며, 상기 일군의 분류는 사용된 전기 모터의 동력에 따라 결정된다.
하나 이상의 전기 모터를 열 엔진과 조합하기 위한 다양한 조합이 가능하며, 각 엔진은 특정 특성을 가지고 있다.
이러한 "하이브리드" 차량은 플러그인 하이브리드 전기 자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle)를 나타내는 두문자어 "PHEV"를 사용하여 언급된다.
하이브리드 자동차의 난방 시스템은 일반적으로 연소 동력 자동차의 난방 시스템과 동일하며, 하이브리드 작동 모드만 변경된다. 가열의 활성화는 열 엔진의 냉각회로에, 가열에 필요한 열량(calories)를 제공하기 위하여 열 엔진의 작동에 의해 결정된다.
차량의 난방 시스템은 일반적으로 열 엔진의 냉각회로와 결합된 적어도 하나의 가열 라디에이터(또는 "유닛 히터")를 포함한다. 열 엔진과 달리 전기 모터는 에너지 효율이 높기 때문에 차량을 가열하는데 사용할 수 있는 에너지(열량)가 전혀 없다.
그러나 이러한 하이브리드 자동차에서 열 관리를 향상시키는 것이 바람직하고, 특히 최적의 방식으로 가열 기능을 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명의 목적은 특히 상기 열 관리 시스템을 단순화시키면서 차량의 승객구획부의 가열을 개선하기 위하여 하이브리드 자동차의 열 관리 시스템을 위한 새로운 설계를 제안하는 것이다.
이러한 목적으로, 본 발명은 전술한 유형의 열 관리 시스템을 제안하며, 제2냉각회로는 제1냉각회로와 별개이며, 제2냉각회로 내에 배치되어 차량의 승객구획부를 가열하는 하나 이상의 가열 라디에이터를 포함한다.
바람직하게는, 고온 냉각회로로 지칭되는 열 엔진의 제1냉각회로 및 특히 전기 모터와 관련된 저온 냉각회로로 지칭되는 제2냉각회로는 서로 분리되어 있다.
분리된 냉각회로를 갖는 이러한 냉각 시스템의 설계는 또한 가스 제거를 용이하게 하는데 도움을 준다.
이러한 시스템의 결과로서, 작동 중에 열 엔진에 의해 생성된 열량은 하이브리드 자동차의 승객구획부를 가열할 수 있도록 회수된다. 열 엔진에서 회수된 열량은 전기 모터 및 전력 전자 수단에 의해 생성된 열량에 더해진다.
바람직하게는, 상기 적어도 하나의 가열 라디에이터(또는 "유닛 히터")는 상기 승객구획부를 가열하는 상기 기능에 선택적으로 기여하기 위해 상기 제2저온 냉각회로에 배치된다.
가열 라디에이터(또는 "유닛 히터")의 배열은 유리하게도, 솔레노이드 밸브, 워터 펌프, 탈가스 탱크(degassing tank) 등과 같은 필요 수단의 수를 감소시킴으로써 냉각 시스템, 특히 저온 냉각회로로 지칭되는 제2냉각회로를 단순화하는 것을 가능하게 한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면,
- 상기 제2냉각회로는 상기 적어도 하나의 가열 라디에이터와 병렬로 설치되는 적어도 하나의 탈가스 탱크를 포함하며,
- 열 엔진의 제1냉각회로 및 제2냉각회로는 적어도 하나의 물/물 열 교환기(water/water heat exchanger)를 통해 선택적으로 열전달 접촉하게 된다.
- 상기 적어도 하나의 물/ 물 열 교환기는 상기 제2냉각회로를 우회하도록 장착되고,
- 제2냉각회로는 제2냉매를 선택적으로 가열하도록 제어되는 가열 수단을 포함한다.
- 상기 가열 수단은 차량의 승객구획부를 가열하기 위해 상기 적어도 하나의 가열 라디에이터의 상류에 배치되고,
- 상기 제2냉각회로는 상기 제2냉매의 온도를 측정하는 수단을 포함하고,
- 상기 제2냉각회로는 적어도 하나의 냉각 라디에이터 및 상기 적어도 하나의 라디에이터를 우회하는 분기부를 포함하며,
- 상기 제2냉각회로는 상기 냉각 라디에이터의 하류에 배치되는 적어도 하나의 서큘레이터(circulator)를 포함하고,
- 상기 제2냉각회로는 상기 제2냉매에 의해 상기 전기 모터와 관련된 적어도 하나의 고전압(high-voltage) 배터리를 냉각시키기 위한 냉각루프(loop)를 포함한다.
본 발명에 따르면, 분리된 냉각회로를 갖는 이러한 냉각 시스템의 설계는 가스 제거를 용이하게 하는데 도움을 준다.
또한, 가열 라디에이터(또는 "유닛 히터")의 배열은 유리하게도, 솔레노이드 밸브, 워터 펌프, 탈가스 탱크(degassing tank) 등과 같은 필요 수단의 수를 감소시킴으로써 냉각 시스템, 특히 저온 냉각회로로 지칭되는 제2냉각회로를 단순화하는 것을 가능하게 한다.
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 자동차의 열 관리 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명의 다른 특징 및 이점은 다음의 설명을 통해 더 명확해질 것이다. 이해를 돕기 위해 하이브리드 자동차의 열 관리 시스템의 일부를 도시하고, 본 발명의 일 실시예에 따른 유닛 히터를 포함하는 제2냉각회로를 보다 구체적으로 도시하는 단일 도면을 참조한다.
단일 도면은 하이브리드 자동차(도시되지 않음)용 열 관리 시스템(10)(또는 열 관리(thermo-management) 시스템)을 개략적으로 도시한다.
이러한 하이브리드 자동차는 열 엔진(도시되지 않음) 및 적어도 하나의 전기 모터(12)를 포함한다.
차량의 열 관리 시스템(10)은 적어도 하나의 제1냉매를 순환시킴으로써 차량의 열 엔진을 냉각시키기 위해 고온 냉각회로라 불리는 제1냉각회로(14)를 적어도 하나 포함한다.
단일 도면에서, 열 엔진의 냉각회로(14)는 상세히 도시되지 않았으며, 화살표로 개략적으로 도시되어 있다.
차량의 열 관리 시스템(10)은 저온 냉각회로로 지칭되는 제2냉각회로(16)를 포함한다.
제2냉각회로(16)는 특히, 적어도 하나의 제2냉매를 순환시킴으로써 적어도 전기 모터(12) 및 상기 전기 모터(12)와 관련된 전력 전자 수단(18)을 냉각시키기 위한 것이다.
본 발명에 따르면, 제2냉각회로(16)는 차량의 승객구획부를 가열하기 위한, 일반적으로 유닛 히터로서 언급되는 적어도 하나의 가열 라디에이터(20)를 포함한다.
상기 실시예에서, 상기 제2냉각회로(16)의 제2냉매는 적어도 상기 충전기(22) 및/또는 DC-DC 컨버터(converter)(24) 및/또는 제2전기 모터(26), 전기 모터(12) 및 상기 관련된 전력 전자 수단(18)와 열전달 접촉하고 있다.
제2냉각회로(16)는 적어도 하나의 가열 라디에이터(20)(또는 유닛 히터)와 평행하게 장착되는 적어도 하나의 탈가스 탱크(28)를 포함한다.
바람직하게는, 열 엔진의 제1냉각회로(14) 및 제2냉각회로(16)는 적어도 하나의 물/물 열 교환기(30)를 통해 선택적으로 열전달 접촉된다.
제1냉매가 흐르는 열 엔진의 제1냉각회로(12)(고온 냉각회로라 함) 및 제2냉매가 흐르는 제2냉각회로(16)(저온 냉각회로라 함)는 유리하게는 서로 분리되어 있다.
그 자체로 공지된 방식으로, 차량에 사용되는 냉매는 주로 열전달 유체의 기초를 형성하는 물로 이루어지고, 예를 들어 부동액 및/또는 내식성을 갖는 첨가제가 유리하게 첨가된다.
바람직하게는, 상기 적어도 하나의 물/물 열 교환기(30)는 우회 분기부(31)에서 제2냉각회로를 우회하도록 장착된다.
바람직하게는, 물/물 열 교환기(30)는 열 엔진(12)이 작동할 때 열량이 열 엔진(12)의 제1냉매로부터 제2냉매로 전달되도록 한다.
제2냉각회로(16)는 상기 적어도 하나의 물/물 열 교환기(30)를 포함하는 우회 분기부(31) 내의 제2냉매의 유동을 선택적으로 제어하기 위해 물/물 열 교환기(30)의 상류에 배치되는 제어 수단(32)을 포함한다.
바람직하게는, 상기 제어 수단(32)은 삼방향(three-way) 밸브로 구성된다.
여기에 도시되지 않은 변형 실시예에서, 상기 물/물 열 교환기(30)는 상기 제2냉각회로(16)에서 상기 제2냉매의 유동을 선택적으로 제어하도록 작동되는 통합 제어 수단을 포함한다.
그러한 변형 실시예에서, 도면에 도시된 실시예와 달리, 상기 우회 분기부(31)는 제거되고, 우회 기능은 열 교환기(30)에 직접적으로 포함된다.
여기에 도시되지 않은 변형 실시예에서, 제2냉각회로(16)는 그러한 물/물 열 교환기(30)를 포함하지 않을 수 있다.
바람직하게는, 이 경우에 상기 물/물 열 교환기(30)를 통해 전달되지 않는, 열 엔진(12)으로부터의 열량을 보상하기 위해 추가의 가열 수단이 제공된다.
이러한 추가 가열 수단은 "난방, 환기 및 공기 조절"시스템에 통합되어 있으며, 이 시스템은 HVAC라고도 한다.
바람직하게는, HVAC시스템의 상기 추가 가열 수단은 예를 들어 공기를 가열하기 위한 가열 요소, 특히 PTC(Positive Temperature Coefficient) 저항과 같은 가열 요소를 포함하여 자기 조절이 가능하다.
바람직하게는 제2냉각회로(16)는 제2냉매를 선택적으로 가열하도록 제어되는 가열 수단(34)을 포함한다.
가열 수단(34)은 예를 들어 제2냉매를 소정의 설정 온도로 가열할 수 있는 보일러를 형성하기 위한 전기 저항기를 포함한다.
바람직하게는, 이러한 가열 수단(34)은 특히 열 엔진의 예열을 돕기 위해 열 엔진의 제1냉각회로(14)의 제1냉매를 가열하는데 사용될 수 있다.
열전달은 제2냉매로부터 열 엔진의 제1냉매까지 물/물 열 교환기(30)를 통해 반대 방향으로 발생한다.
이러한 방식으로 제1냉매를 가열함으로써, 가열 수단(34)에 의해 가열된 제2냉매를 사용하여 열 엔진이 시동될 때의 마찰이 유리하게 감소될 수 있다.
가열 수단(34)은 차량의 승객구획부를 가열하기 위해 상기 적어도 하나의 가열 라디에이터(20)(또는 유닛 히터)의 상류에 배치된다.
제2냉각회로(16)는 제2냉매의 온도를 측정하는 온도 측정 수단(36)을 포함한다.
바람직하게는, 제2냉매의 온도를 측정하기 위한 상기 수단(36)은 상기 적어도 하나의 가열 라디에이터(20)의 상류 및 상기 가열 수단(34)의 하류에 배치된다.
제2냉각회로(16)는 적어도 하나의 냉각 라디에이터(38)를 포함한다.
바람직하게는, 제2냉각회로(16)는 상기 냉각 라디에이터(38)를 우회하기 위한 우회 분기부(39)를 포함한다.
상기 제어 수단(40) 및 상기 우회 분기부(39)의 결과로서, 상기 제2냉매는 상기 냉각 라디에이터(38)를 통과할 수도 있고, 통과하지 않을 수도 있다.
바람직하게는, 제어 수단(40)은 제2냉매가 상기 냉각 라디에이터(38)를 통과하지 못하도록 제어되어, 상기 열량 중 일부 또는 전부가 차량의 승객구획부만을 가열하는 대신에 다른 기능을 수행하도록 상기 제2냉매의 열량을 유지시킨다.
예를 들어, 차량이 매우 낮은 외부 온도, 즉 극한의 추운 조건에서 사용되는 경우가 있을 수 있다.
특히 제2냉매에 존재하는 열량은, 예를 들어 전기 모터와 관련된 고전압 배터리를 가열하기 위해 사용될 수 있다.
단일 도면에 도시된 실시예에서, 제2냉각회로(16)는 상기 제2냉매에 의해 상기 전기 모터(12)와 관련되고, 고전압 배터리로 지칭되는 적어도 하나의 배터리(44)를 냉각시키기 위한 냉각 루프(42)를 포함한다.
제2냉매는, 예를 들어, 고전압 배터리(44)의 냉각 루프(42)에 흐르게 할 수 있다.
바람직하게는, 고전압 배터리(44)의 상기 냉각 루프(42)는 적어도 하나의 냉각기(46)를 포함한다.
바람직하게는, 고전압 배터리(44)의 상기 냉각 루프(42)는 적어도 하나의 서큘레이터(48)를 포함하고, 상기 서큘레이터(48)는 상기 냉각기(46)와 적어도 하나의 고전압 배터리(44) 사이에 배치된다.
바람직하게는, 고전압 배터리(44)의 냉각 루프(42)는 냉매의 흐름을 제어하도록 선택적으로 제어되는 제어 수단(50)을 포함한다.
상기 냉각 루프(42)의 제어 수단(50)은, 예를 들어 삼방향 밸브로 구성된다.
특히, 제어 수단(50)은 제2냉매를 상기 루프(42)와 제2냉각회로(16) 사이에서 선택적으로 흐르게 할 수 있게 한다. 제어 수단(50)의 위치에 따라, 상기 냉각 루프(42)는 제2냉각회로(16)로부터 격리될 수 있으며, 유동은 차단된다.
본 실시예에서, 고전압 배터리(44)의 냉각 루프(42)는 제2냉각회로(16)에 연결된다.
여기에 도시되지 않은 변형 실시예에서, 고전압 배터리(44)의 냉각 루프(42)는 제2냉각회로(16)로부터 분리되어 있다.
바람직하게, 고전압 배터리(44)의 상기 냉각 루프(42)는 적어도 온도 측정 수단(52)을 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 온도 측정 수단(52)은 냉각기(46)의 하류에, 바람직하게는 서큘레이터(48)의 하류에, 그리고 고전압 배터리(44)의 상류에 배치되어, 상기 루프(42) 내의 제2냉매의 온도를 측정한다.
바람직하게는, 제2냉각회로(16)는 상기 냉각 라디에이터(38)의 하류에 배치되는 적어도 하나의 서큘레이터를 포함한다.
바람직하게는, 제2냉각회로(16)는 각각 제1서큘레이터(54) 및 제2서큘레이터(56)의 2개의 서큘레이터를 포함한다.
실시예에서, 제1서큘레이터(54) 및 제2서큘레이터(56)는 상기 냉각 라디에이터(38)의 하류에 직렬로 배열된다.
실시예에서, 2개의 서큘레이터(54, 56)는 상기 냉각 라디에이터(38)와 관련된 제어 수단(40) 및 그 우회 분기부(39)의 하류에 배치된다.
2개의 서큘레이터(54, 56)는 적어도 하나의 상기 전기 모터(12) 및 관련된 전력 전자 수단(18)을 포함하는 제2냉각회로(16) 영역의 상류에 배치된다.
단일 도면에 도시된 실시예는 본 발명에 따른 열 관리 시스템(10)의 비제한적인 예로서 제공된다.
본 발명은 적어도 하나의 열 엔진 및 하나의 전기 모터(12)를 포함하는 하이브리드 자동차용 열 관리 시스템에 관한 것으로, 상기 시스템(10)은 열 엔진의 적어도 하나의 제1냉각회로(14) 및 적어도 전기 모터(12) 및 관련된 전력 전자 수단(18)을 냉각하기 위한 하나의 제2냉각회로(16)를 포함하며, 상기 제2냉각회로(16)는 차량의 승객구획부를 가열하기 위한 적어도 하나의 가열 라디에이터(20)(또는 유닛 히터)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
10: 열 관리 시스템 12: 전기 모터
14: 제1냉각회로 16: 제2냉각회로
18: 전력 전자 수단 20: 가열 라디에이터
22: 충전기 24: DC-DC 컨버터
26: 제2전기 모터 28: 탈가스 탱크
30: 물/물 열 교환기 31, 39: 우회 분기부
32, 40, 50: 제어 수단 34: 가열 수단
36, 52: 온도 측정 수단 38: 냉각 라디에이터
42: 냉각 루프 44: 고전압 배터리
46: 냉각기 48: 서큘레이터
54: 제1서큘레이터 56: 제2서큘레이터

Claims (10)

  1. 적어도 하나의 열 엔진 및 하나의 전기 모터(12)를 포함하는 하이브리드 자동차용 열 관리 시스템에 있어서, 상기 시스템은 적어도:
    적어도 하나의 제1냉매를 순환시킴으로써 차량의 열 엔진을 냉각시키기 위한 제1냉각회로(14)와,
    적어도 하나의 제2냉매를 순환시킴으로써 적어도 전기 모터(12) 및 상기 전기 모터와 관련된 전력 전자 수단(18)을 냉각시키기 위한 제2냉각회로(16)를 포함하며,
    상기 제2냉각회로(16)는 상기 제1냉각회로(14)와 분리되고, 차량의 승객구획부를 가열하기 위해 상기 제2냉각회로(16) 내에 배치되는 적어도 하나의 가열 라디에이터(20)를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차용 열 관리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2냉각회로(16)는 상기 적어도 하나의 가열 라디에이터(20)와 병렬로 설치되는 적어도 하나의 탈가스 탱크(28)를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차용 열 관리 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 열 엔진의 상기 제1냉각회로(14) 및 상기 제2냉각회로(16)는 적어도 하나의 물/물 열 교환기(30)를 통해 선택적으로 열전달 접촉되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차용 열 관리 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 물/물 열 교환기(30)는 상기 제2냉각회로(16)를 우회하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차용 열 관리 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 물/물 열 교환기(30)는 상기 제2냉각회로(16)를 우회하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차용 열 관리 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 가열 수단(34)은 상기 차량의 승객구획부를 가열하기 위해 상기 적어도 하나의 가열 라디에이터(20)의 상류에 배치되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차용 열 관리 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2냉각회로(16)는 상기 제2냉매의 온도를 측정하는 수단(36)을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차용 열 관리 시스템.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2냉각회로(16)는 적어도 하나의 냉각 라디에이터(38) 및 상기 적어도 하나의 라디에이터(38)를 우회하는 분기부(39)를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차용 열 관리 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2냉각회로(16)는 상기 냉각 라디에이터(38)의 하류에 배치되는 적어도 하나의 서큘레이터(54, 56)를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차용 열 관리 시스템.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2냉각회로(16)는 상기 제2냉매에 의해 상기 전기 모터(12)와 관련된 적어도 하나의 고전압 배터리(44)를 냉각시키기 위한 냉각 루프(42)를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차용 열 관리 시스템.
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