KR20220152604A - 차량의 열관리 시스템 - Google Patents

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KR20220152604A
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현대자동차주식회사
기아 주식회사
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Abstract

본 발명은 차량의 열관리 시스템에 관한 것으로서, 저온 주행시 냉각수 유량의 감소로 인한 히트 펌프 시스템의 성능 저하 문제가 개선될 수 있는 차량의 열관리 시스템을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 전력전자 부품의 냉각을 위한 것으로서, 제1 라디에이터, 제1 라디에이터와 전력전자 부품 사이의 냉각수 순환을 위한 제1 냉각수 라인, 제1 냉각수 라인을 따라 냉각수를 순환시키는 제1 전동식 워터펌프를 포함하는 제1 냉각 회로; 냉매를 압축하는 압축기, 압축기에 의해 압축된 냉매와 차량 실내로 공급되는 공기 사이의 열교환이 이루어지는 내부 응축기, 압축기와 내부 응축기 사이의 냉매 순환을 위한 냉매 라인, 및 상기 냉각수와 냉매 사이의 열교환이 이루어지는 열교환기를 포함하는 히트 펌프 시스템; 상기 전력전자 부품 입구측과 출구측의 제1 냉각수 라인 사이를 연결하는 유량 증대용 바이패스 라인; 및 상기 제1 냉각수 라인에서 유량 증대용 바이패스 라인이 분기된 위치에 설치되어, 냉각수가 전력전자 부품을 선택적으로 바이패스할 수 있도록 냉각수 유동방향을 제어하는 냉각수 제어밸브를 포함하는 차량의 열관리 시스템이 개시된다.

Description

차량의 열관리 시스템{Thermal management system for vehicle}
본 발명은 차량의 열관리 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 저온 주행시 냉각수 유량의 감소로 인한 히트 펌프 시스템의 성능 저하 문제가 개선될 수 있는 차량의 열관리 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 자동차에는 실내를 난방하거나 냉방하는 공조 장치가 탑재된다. 자동차에서 공조 장치는 외부 온도의 변화에 관계없이 차량 실내 온도를 항상 적정 온도로 유지하여 승객에게 쾌적한 실내 환경을 제공한다.
자동차용 공조 장치는 냉매를 순환시키는 에어컨 시스템을 포함한다. 에어컨 시스템은 냉매를 압축하여 송출하는 압축기(compressor), 압축기에 의해 압축된 냉매를 응축하는 응축기(condenser), 응축기에 의해 응축되어 액화된 냉매를 팽창시키는 팽창밸브(expansion valve), 그리고 팽창밸브에 의해 팽창된 냉매를 증발시키면서 냉매의 증발 잠열을 이용하여 차량 실내로 송풍되는 공기를 냉각하는 증발기(evaporator)를 주요한 구성요소로 포함한다.
에어컨 시스템에서는 여름철 냉방 모드시 압축기에 의해 압축된 고온, 고압의 기상 냉매를 응축기를 통해 응축한 뒤 팽창밸브와 증발기를 거쳐 다시 압축기로 순환시킨다. 이때, 팽창밸브는 응축된 액상 냉매를 저온, 저압으로 팽창시키고, 증발기는 상기 팽창된 냉매와의 열교환을 통해 공기를 냉각한 뒤 자동차 실내로 토출하여 실내 냉방이 이루어지도록 한다.
한편, 최근 에너지 효율과 환경오염 문제에 대한 관심이 증가하면서 내연기관 자동차를 실질적으로 대체할 수 있는 친환경 자동차의 개발이 이루어지고 있다. 친환경 자동차는 연료전지나 배터리를 동력원으로 이용하여 구동하는 전기자동차(FCEV,BEV)와, 엔진과 모터를 구동원으로 이용하여 구동하는 하이브리드 자동차(HEV,PHEV)로 구분할 수 있다. 이들 친환경 자동차(xEV)는 넓은 의미의 전기자동차이며, 모두 배터리에 충전된 전력으로 모터를 구동하여 주행하는 모터 구동 차량 및 전동화 차량(electrified vehicle)이라는 공통점을 가진다.
전기자동차에는 차량 전반의 열관리를 수행하기 위한 열관리 시스템이 탑재된다. 열관리 시스템은 공조 장치의 에어컨 시스템 및 난방 시스템, 그리고 냉각수와 냉매를 이용하여 전력계통의 열관리와 냉각을 수행하는 냉각 시스템, 그리고 히트 펌프 시스템을 포함하는 넓은 의미의 시스템으로 정의할 수 있다.
여기서, 히트 펌프 시스템은 공조 장치의 주 난방 장치인 전기 히터(예, PTC 히터)와 함께 보조 난방 장치로 이용될 수 있는 것으로, 전력전자(Power Electronic, PE) 부품이나 배터리 등의 폐열을 회수하여 난방에 이용하도록 구성된 시스템이다.
또한, 냉각 시스템은 냉각수를 순환시켜 전력계통의 부품들을 냉각하거나 가열하여 전력계통의 열을 관리할 수 있는 구성들을 포함한다. 공지의 냉각 시스템은, 냉각수가 저장되는 리저버 탱크, 냉각수를 순환시키기 위해 압송하는 전동식 워터펌프(Electric Water Pump, EWP), 냉각수의 방열을 위한 라디에이터 및 쿨링팬, 배터리의 냉각을 위한 배터리 칠러(battery chiller), 배터리의 승온을 위한 배터리 히터(battery heater), 냉각수의 유동을 제어하기 위한 밸브들, 이들 장치 사이를 연결하는 호스류(냉각수 라인), 그리고 냉각수의 순환 및 유동 제어, 냉각수의 온도 제어를 위해 냉각 회로의 장치들을 제어하는 제어기를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 배터리 칠러는 에어컨 시스템의 냉매를 이용하여 냉각수를 냉각하는 것으로, 배터리의 열이 냉각수에 전해진 상태에서 냉각수와 냉매 사이의 열교환을 통해 냉각수의 열이 냉매로 전달되도록 하는 열교환기이며, 냉매를 통해 냉각수를 냉각하여 궁극적으로 냉각수에 의해 배터리가 냉각되도록 해주는 냉각기이다.
그리고, 전기자동차의 냉각 시스템은 차량 구동을 위한 전력전자 부품의 냉각수 통로, 및 이 전력전자 부품에 작동 전력을 공급하는 배터리의 냉각수 통로를 따라 냉각수를 순환시켜 전력전자 부품과 배터리의 온도를 제어한다. 또한, 냉각 시스템은 필요에 따라 전력전자 부품과 배터리를 분리하여 개별 냉각하거나 또는 전력전자 부품과 배터리를 통합하여 냉각하도록 구성될 수 있다. 이를 위해 냉각 시스템은 3-웨이(way) 밸브 등의 작동을 제어하여 냉각수의 유동 방향을 제어할 수 있다.
최근에는 전기자동차의 항속거리를 증가시키고 전비를 향상시키기 위해 차량 전단부에 2개의 라디에이터, 즉 고온 라디에이터와 저온 라디에이터를 배치하고 각 라디에이터를 순환하는 병렬의 냉각수 라인을 구성하여 전력전자 부품과 배터리를 분리하여 냉각하는 병렬형 분리 냉각 시스템이 개발되고 있다.
전기자동차의 상품성을 결정하는 가장 중요한 요소는 1회 충전시 주행거리(All Electric Range, AER)이며, 이와 함께 최근에는 저온에서의 1회 충전시 주행거리(저온일충전거리)도 주목받고 있다. 최근 상온대비 저온 주행거리 비율에 따라 전기자동차의 구매 보조금을 차등 지급하는 등 저온일충전거리가 전기자동차의 상품성을 결정하거나 부각하는데 중요한 요소가 되고 있다. 전기자동차의 구매 보조금 지급 등과 관련하여 저온일충전거리에 대한 시험 방법이 규정되어 있기도 하다.
전기자동차에서 상온 주행거리 대비 저온 주행거리가 줄어드는 주된 이유는 바로 저온 주행시 전기 히터를 작동시키기 때문이며, 이를 고려하여 저온일충전거리 평가시 공조 모드로 "Max Warm/벤트/Blower Max"를 적용하고 있다.
전기자동차는 내연기관 자동차의 엔진과 같은 열원이 부재하기 때문에 통상적으로 전기 히터인 고전압 PTC 히터를 난방 열원으로 이용하고 있고, 이 PTC 히터의 소모 전력량이 상당히 크기 때문에 난방시 저온 주행거리가 크게 줄어들게 된다.
상기한 문제를 보완하기 위해 전기자동차에서 보조 난방 시스템인 히트 펌프 시스템을 이용하고 있고, 히트 펌프 시스템을 이용하여 상온대비 저온 주행거리 비율이 높아지면 전기자동차 구매 보조금 지원에 있어서도 유리해진다. 따라서, 전기자동차에서 히트 펌프 성능은 매우 중요하다.
전기자동차의 히트 펌프 시스템은 모터나 인버터, 충전기, 컨버터와 같은 전력전자 부품의 열을 냉각수로 회수하고, 더불어 외기의 열을 냉각수로 회수한 뒤, 수냉식 열교환기에서 에어컨 시스템의 냉매와 상기 회수되는 열에 의해 승온된 냉각수 사이에 열교환이 이루어지도록 한다.
또한, 히트 펌프 시스템에서는 수냉식 열교환기에서 냉각수의 열을 전달받은 냉매가 압축기에 의해 고온, 고압으로 압축되어 공조 케이스 내 내부 응축기를 통과할 수 있도록 하고, 이에 내부 응축기에서 고온, 고압의 냉매와 공조 블로워에 의해 차량 실내로 공급되는 난방용 공기 사이에 열교환이 이루어지도록 한다. 결국, 내부 응축기를 통과하는 동안 냉매와의 열교환에 의해 승온된 공기가 차량 실내로 토출됨으로써 실내 난방이 이루어지게 된다.
하지만, 종래의 열관리 시스템에서는 다음과 같은 문제점이 있다.
주행시 외기온도가 낮은 저온 조건에서는 냉각수 유량의 감소로 인해 히트펌프의 성능을 극대화하는 것이 어렵다. 즉, 외기온도가 낮아짐에 따라 냉각수의 점성이 높아지고, 이는 냉각수의 유량 감소로 이어진다. 히트 펌프 시스템에서 열 회수량은 냉각수의 유량에 따라 증감하며, 냉각수의 유량이 감소할 경우 히트 펌프 시스템에서의 열 회수량 또한 감소한다.
외기온도가 낮을수록 난방 부하는 더욱 커지고, 이때 히트 펌프의 성능이 더욱 중요한데, 물리적인 현상으로 유량이 감소할 경우 이를 보완할 수 있는 기술, 즉 외기온도가 낮을 때 냉각수의 유량을 확보할 수 있는 기술이 요구되고 있다.
물론, 전동식 워터펌프(EWP)의 용량을 크게 하면 유량 증가를 도모할 수 있으나, NVH 성능을 고려하였을 때 워터펌프의 용량을 무작정 크게 할 수 없기 때문에 냉각 회로의 최적화 및 개선이 필요하다.
또한, 종래에는 히트 펌프 시스템의 구동시에 차량 전단의 액티브 에어 플랩(Active Air Flap, AAF)을 무조건 개방하였고, 액티브 에어 플랩을 세부적으로 조건에 따라 제어하지 않는다.
이때, 히트 펌프 시스템이 작동하면, 수냉식 열교환기에서는 전력전자(PE) 부품의 폐열, 및 라디에이터를 통해 흡수한 공기의 열을 냉각수와 냉매 사이의 열교환을 통해 회수하는데, 외기온도가 낮아져 냉각수 라인을 순환하는 냉각수의 유량이 크게 감소할 수 있고, 결국 히트 펌프 시스템의 충분한 성능을 확보하지 못하게 된다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 저온 주행시 냉각수 유량의 감소로 인한 히트 펌프 시스템의 성능 저하 문제가 개선될 수 있는 차량의 열관리 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
특히, 본 발명은 외기온도에 따라 능동적이고 효율적인 히트 펌프 시스템의 성능을 낼 수 있는 차량의 열관리 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(이하 '통상의 기술자')에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따르면, 전력전자 부품의 냉각을 위한 것으로서, 제1 라디에이터, 제1 라디에이터와 전력전자 부품 사이의 냉각수 순환을 위한 제1 냉각수 라인, 제1 냉각수 라인을 따라 냉각수를 순환시키는 제1 전동식 워터펌프를 포함하는 제1 냉각 회로; 냉매를 압축하는 압축기, 압축기에 의해 압축된 냉매와 차량 실내로 공급되는 공기 사이의 열교환이 이루어지는 내부 응축기, 압축기와 내부 응축기 사이의 냉매 순환을 위한 냉매 라인, 및 상기 냉각수와 냉매 사이의 열교환이 이루어지는 열교환기를 포함하는 히트 펌프 시스템; 상기 전력전자 부품 입구측과 출구측의 제1 냉각수 라인 사이를 연결하는 유량 증대용 바이패스 라인; 및 상기 제1 냉각수 라인에서 유량 증대용 바이패스 라인이 분기된 위치에 설치되어, 냉각수가 전력전자 부품을 선택적으로 바이패스할 수 있도록 냉각수 유동방향을 제어하는 냉각수 제어밸브를 포함하는 차량의 열관리 시스템을 제공한다.
이로써, 본 발명에 따른 차량의 열관리 시스템에 의하면, 저온 주행시 냉각수 유량의 감소로 인한 히트 펌프 시스템의 성능 저하 문제가 개선될 수 있고, 외기온도에 따라 능동적이고 효율적인 히트 펌프 시스템의 성능을 발휘할 수 있게 된다.
또한, 최근 전기자동차의 실내 공간이 커짐에 따라 난방 부하 및 난방시 소모 전력이 증대되고 상온대비 저온 주행거리 비율이 감소될 수 있으나, 본 발명의 적용시에는 히트 펌프 시스템의 성능이 극대화됨에 따라 실내 공간이 큰 전기자동차에서도 높은 저온 주행거리 비율을 유지 및 달성할 수 있게 된다.
결국, 본 발명은 저온 주행시에도 상온 주행시와 동등한 수준의 주행거리를 제공할 수 있고, 차량의 상품성 향상에 크게 기여할 수 있는 것은 물론, 저온 주행거리 비율이 증대됨에 따라 전기자동차의 구매시 국가 보조금을 최대로 지원받을 수 있게 되어 차량 구매자에게 금전적인 이익을 줄 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량의 열관리 시스템을 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차량의 열관리 시스템에서 주요 구성을 나타낸 블록도이다.
도 3a와 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 열관리 시스템의 작동 및 제어 상태를 난방 모드별로 정리한 도면이다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 열관리 시스템의 난방 모드별 냉각수 및 냉매의 유동 상태를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 열관리 시스템의 제어 과정을 나타낸 순서도이다.
도 9는 본 발명에서 제1 모드와 제3 모드의 냉각수 유량을 비교하여 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 열관리 시스템의 통합 모드시 냉각수 및 냉매의 유동 상태를 나타낸 도면이다.
발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.
어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 또는 "직접 접촉되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는" 등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.
명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서 단수형은 문구에서 특별히 언급되지 않는 한 복수형도 포함된다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량의 열관리 시스템을 도시한 구성도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차량의 열관리 시스템에서 주요 구성을 나타낸 블록도이다. 도 1을 참조하면, 열관리를 수행하는 부품들, 그리고 냉각수와 냉매가 흐르는 냉각수 라인(114,127)과 냉매 라인(155)을 포함하는 냉각 회로가 도시되어 있다.
도 1의 실시예는 전기자동차에 적용될 수 있는 열관리 시스템이다. 도 1에서 도면부호 1은 차량 전단부를 나타낸다. 또한, 도 1에서 도면부호 '2'은 차량 전단부(1)에서 외기가 도입되는 외기도입구를 나타내고, 도면부호 '3'은 차량 전단부(1)의 외기도입구(2)를 선택적으로 개폐하는 액티브 에어 플랩을 나타낸다. 상기 액티브 에어 플랩(3)은 제어기(10)에 의해 작동이 제어된다.
도시된 바와 같이, 전기자동차의 열관리 시스템은, 공조 장치의 에어컨 시스템(140) 및 난방 시스템(주 난방 장치인 전기히터(142) 등)과 함께, 차량 구동을 위한 전력전자(Power Electronic, PE) 부품(171-175) 및 배터리(176)의 열관리와 냉각을 수행하는 수냉식 냉각 시스템을 포함한다. 냉각 시스템은 냉각수를 순환시켜 전력전자 부품 및 배터리를 냉각하거나 가열하여 전력계통의 열을 관리할 수 있도록 구성된다. 또한, 냉각 시스템은 냉각수를 매체로 이용하여 배터리(176)를 냉각하거나 가열하는 부품, 예컨대 배터리 칠러(125)와 배터리 히터(126)를 포함할 수 있다.
냉각 시스템은, 냉각수가 저장되는 리저버 탱크(111,121), 냉각수의 순환을 위해 냉각수를 압송하는 전동식 워터펌프(112,122,123), 냉각수의 방열을 위한 라디에이터(113,124) 및 쿨링팬(130), 배터리의 냉각을 위한 배터리 칠러(125), 배터리의 승온을 위한 배터리 히터(126), 냉각수의 유동을 제어하기 위한 밸브(116,118,129)들, 그리고 이들 부품 사이를 연결하는 냉각수 라인(114,117,127)을 포함하여 구성되는 냉각 회로(110,120)를 포함한다.
이에 더하여, 냉각 시스템은, 냉각 회로(110,120)의 냉각수 온도 및 냉각수 유동 제어를 수행하는 것을 포함하여 열관리 시스템의 제어 전반을 담당하는 제어기(10)를 더 포함한다.
여기서, 제어기(10)는 도 2에 나타낸 바와 같이 액티브 에어 플랩(AAF)(11), 전동식 워터펌프(112,122,123), 배터리 히터(126), 후술하는 전기 히터(142), 압축기(144), 쿨링팬(130), 개폐 도어(143) 등의 작동을 제어하고, 더불어 열관리 시스템의 밸브(116,118,129,147,151,152,159,162)들을 제어한다. 예컨대, 제어기(10)는 3-웨이(way) 밸브인 제1 바이패스 밸브(116)와 제2 바이패스 밸브(129)의 작동을 제어하여 냉각수의 유동 방향을 제어할 수 있다.
상기 냉각 시스템은 차량 구동을 위한 전력전자 부품(171-175), 및 이 전력전자 부품에 작동 전력을 공급하는 배터리(176)의 냉각수 통로를 따라 냉각수를 통과시켜 전력전자 부품(171-175)과 배터리(176)의 온도를 제어한다. 또한, 냉각 시스템은 필요에 따라 전력전자 부품(171-175)과 배터리(176)를 분리하여 개별 냉각하거나 또는 전력전자 부품과 배터리를 통합하여 냉각하도록 구성될 수 있다.
도 1의 열관리 시스템에서, 냉각 시스템은, 차량의 항속거리를 증가시키고 전비를 향상시키기 위해, 차량 전단부(1)의 외기도입통로(1a)에 2개의 라디에이터(111,121)를 배치하고, 각 라디에이터를 순환하는 병렬의 냉각수 라인(114,127)을 구성하여, 전력전자(PE) 부품(171-175)과 배터리(176)를 분리하여 냉각할 수 있도록 한 병렬형 분리 냉각 시스템이다.
여기서, 냉각 대상이 되는 전력전자(PE) 부품은, 차량을 구동하기 위한 구동원인 전륜 모터(175)와 후륜 모터(174), 이 전륜 모터(175)와 후륜 모터(174)를 각각 구동하고 제어하기 위한 전륜 인버터(171)와 후륜 인버터(172), 배터리(176)를 충전하기 위한 차량 내 충전기(On-Board Charger, OBC) 및 저전압 DC-DC 컨버터(Low voltage DC-DC Conveter, LDC)(173)를 포함할 수 있다. 여기서, 충전기와 컨버터는 통합된 구성을 가지는 충전기-컨버터 통합 유닛(ICCU)일 수 있다. 그 밖에, 도면에는 나타내지 않았으나, 냉각 대상이 되는 전력전자 부품은 자율주행 제어기와 같이 냉각이 필요한 제어기를 더 포함할 수 있다.
도 1을 참조하면, 두 개의 라디에이터, 즉 제1 라디에이터(HTR)(113)와 제2 라디에이터(LTR)(124)에 개별적으로 냉각수 라인(114,127)이 연결됨을 볼 수 있다. 제1 라디에이터(113)와 제2 라디에이터(124)는 쿨링팬(130)에 의해 흡입되는 외기와 각 라디에이터 내 냉각수 사이의 열교환에 의해 각 냉각수 라인(114,127)을 순환하는 냉각수로부터 열을 방출하고 냉각수를 냉각한다.
병렬형 분리 냉각 시스템에서, 운전 온도(냉각수 온도)에 따라, 상기 제1 라디에이터(113)는 상대적으로 고온의 냉각수를 통과시켜 방열 및 냉각하는 고온 라디에이터(High Temperature Radiator, HTR)이다. 상기 제2 라디에이터(124)는 제1 라디에이터(113)에 비해 상대적으로 저온의 냉각수를 통과시켜 방열 및 냉각하는 저온 라디에이터(Low Temperature Radiator, LTR)이다. 이때, 저온 라디에이터인 제2 라디에이터(124)가 고온 라디에이터인 제1 라디에이터(113)의 전방에 배치될 수 있다.
상기 제1 라디에이터(113)와 제1 리저버 탱크(111), 그리고 제1 전동식 워터펌프(112), 전력전자(PE) 부품인 전륜 인버터(171)와 후륜 인버터(172), 차량 내 충전기(OBC) 및 저전압 DC-DC 컨버터(LDC)(173), 후륜 모터(174) 및 전륜 모터(175) 사이에는 냉각수가 순환될 수 있도록 제1 냉각수 라인(114)이 연결된다.
또한, 제1 냉각수 라인(114)에는 냉각수의 순환을 위해 냉각수를 압송하는 제1 전동식 워터펌프(112)가 설치되고, 제1 라디에이터(113)의 전단(입구측) 위치와 후단(출구측) 위치의 제1 냉각수 라인 사이를 연결하는 제1 바이패스 라인(115), 및 제1 라디에이터(113)로 냉각수를 선택적으로 흐르게 하기 위한 제1 바이패스 밸브(116)가 설치된다.
상기 제1 바이패스 밸브(16)는 제1 냉각수 라인(114)에서 제1 바이패스 라인(115)이 분기되는 분기점 위치에 설치되는 밸브이다. 상기 제1 바이패스 밸브(116)는 제어기(10)에 의해 제어되고 유량 분배가 가능한 전자식 3-웨이 밸브일 수 있다. 이로써, 제1 냉각수 라인(114)을 통해 냉각수를 순환시켜 전력전자 부품(171-175)들을 냉각하는 제1 냉각 회로(110)가 구성된다.
제1 냉각 회로(110)에서는 제1 전동식 워터펌프(112)에 의해 압송된 냉각수가 제1 냉각수 라인(114)을 따라 순환하면서 전륜 인버터(171), 후륜 인버터(172), 충전기(OBC) 및 저전압 DC-DC 컨버터(LDC)(173), 후륜 모터(174), 전륜 모터(175) 등의 전력전자 부품들을 차례로 통과한다. 냉각수가 전력전자 부품(171-175)들을 통과하는 동안 각 전력전자 부품을 차례로 냉각하며, 전력전자 부품(171-175)들을 냉각한 고온의 냉각수는 제1 라디에이터(113)를 통과하는 동안 공기와의 열교환 및 방열을 통해 냉각된다.
한편, 제2 라디에이터(124)와 제2 리저버 탱크(121), 제2 전동식 워터펌프(122), 제3 전동식 워터펌프(123), 배터리(176), 배터리 히터(126), 배터리 칠러(125) 사이에 냉각수가 순환되도록 제2 냉각수 라인(127)이 연결된다. 여기서, 배터리(176)는 전륜 모터(175)와 후륜 모터(174) 등 전력전자 부품들에 작동 전력을 공급한다. 이를 위해, 도면에 전기 배선에 대해서는 도시를 생략하였으나, 배터리(176)가 전력전자 부품(171-175)들에 전기 배선을 통해 연결된다. 예를 들면, 배터리(176)는 전륜 인버터(171)와 후륜 인버터(172)를 통해 각각 전륜 모터(175)와 후륜 모터(174)에 충방전 가능하게 연결된다. 또한, 배터리(176)는 차량 내 충전기(OBC) 및 저전압 DC-DC 컨버터(173)에 전기 배선을 통해 연결된다.
또한, 제2 냉각수 라인(127)에는 냉각수의 순환을 위해 냉각수를 압송하는 전동식 워터펌프(122,123)가 설치되고, 제2 라디에이터(124)의 전단(입구측) 위치와 후단(출구측) 위치의 제2 냉각수 라인 사이를 연결하는 제2 바이패스 라인(128), 및 제2 라디에이터(124)로 냉각수를 선택적으로 흐르게 하기 위한 제2 바이패스 밸브(129)가 설치된다.
여기서, 제2 바이패스 밸브(129)는 제2 냉각수 라인(127)에서 제2 바이패스 라인(128)이 분기되는 분기점 위치에 설치되는데, 제어기(10)에 의해 제어되고 유량 분배가 가능한 전자식 3-웨이 밸브일 수 있다. 이로써, 제2 냉각수 라인(127)을 통해 냉각수를 순환시켜 배터리(176)를 냉각하는 제2 냉각 회로(120)가 구성된다. 제2 냉각 회로(120)에서는 복수 개의 전동식 워터펌프, 즉 제1 전동식 워터펌프(122)와 제2 전동식 워터펌프(123)가 제2 냉각수 라인(127)에 설치될 수 있다.
이러한 제2 냉각 회로(120)에서는 제1 및 제2 전동식 워터펌프(122,123)에 의해 압송된 냉각수가 제2 냉각수 라인(127)을 따라 순환하면서 배터리(176)를 통과하고, 냉각수가 배터리(176)를 통과하는 동안 냉각수에 의해 배터리(176)가 냉각된다. 또한, 배터리(176)를 냉각한 고온의 냉각수는 제2 라디에이터(124)를 통과하는 동안 공기와의 열교환 및 방열을 통해 냉각된다.
이와 같이 배터리(176)를 냉각한 냉각수의 온도는 전력전자 부품(171-175)을 냉각한 냉각수의 온도에 비해서는 상대적으로 저온이다. 따라서, 상대적으로 저온의 냉각수 방열이 이루어지는 제2 라디에이터(124)는 저온 라디에이터(LTR)라 할 수 있고, 상대적으로 고온의 냉각수 방열이 이루어지는 상기 제1 라디에이터(113)는 고온 라디에이터(HTR)라 할 수 있다.
도 1에서 도면부호 126은 배터리 히터(126)로서, 이는 배터리(176)와 배터리 칠러(125) 사이의 제2 냉각수 라인(127)에 설치될 수 있다. 배터리 히터(126)는 배터리(176)의 승온이 요구될 경우 온(on) 작동되며, 제2 냉각수 라인(127)을 따라 순환되는 냉각수를 가열하여 가열된 냉각수가 배터리(176) 내 냉각수 통로로 유입될 수 있도록 한다. 배터리 히터(126)는 전력을 공급받아 작동하는 전기식 히터일 수 있다. 배터리 히터(126)은 냉각수를 가열하는 히터이지만, 배터리 히터(126)에 의해 가열된 냉각수가 배터리(176)를 승온시키므로, 냉각수 히터(126)는 궁극적으로 배터리(176)를 승온시키기 위한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 열관리 시스템에서 제1 바이패스 밸브(116)는 제1 라디에이터(113)와 제1 리저버 탱크(111) 사이의 제2 냉각수 라인(114)에 위치될 수 있다. 제1 바이패스 라인(115) 및 제1 바이패스 밸브(116)는 전력전자 부품(171-175)을 통과한 냉각수가 고온 라디에이터(HTR)인 제1 라디에이터(113)를 선택적으로 바이패스(우회)할 수 있도록 하는 부품이다.
제1 바이패스 밸브(116)가 제1 라디에이터(113)측과 제1 리저버 탱크(111)측을 연통시키면 냉각수가 제1 라디에이터(113)를 포함하는 제2 냉각수 라인(114)의 경로를 따라 순환된다. 반면, 제1 바이패스 밸브(116)가 제1 바이패스 라인(115)과 제1 리저버 탱크(111)측을 연통시키면 냉각수가 제1 라디에이터(113)를 바이패스하는 제2 냉각수 라인(114)의 경로를 따라 순환된다.
또한, 제2 바이패스 라인(128) 및 제2 바이배스 밸브(129)는 배터리(176)를 통과한 냉각수가 열교환기(158)와 저온 라디에이터(LTR)인 제2 라디에이터(124)를 선택적으로 바이패(우회)할 수 있도록 하는 부품이다.
제2 바이패스 밸브(129)가 열교환기(158) 및 제2 라디에이터(124)측의 제2 냉각수 라인(127)과, 배터리 칠러(125), 배터리 히터(126) 및 배터리(176)측의 제2 냉각수 라인(127)을 연통시키면 냉각수가 열교환기(158)와 제2 라디에이터(124)를 포함하는 제2 냉각수 라인(114)의 경로를 따라 순환된다. 반면, 제2 바이패스 밸브(129)가 배터리 칠러(125), 배터리 히터(126) 및 배터리(176)측의 제2 냉각수 라인(127)을 제2 바이패스 라인(128)과 연통시키면 냉각수가 열교환기(158)와 제2 라디에이터(124)를 바이패스하는 제2 냉각수 라인(114)의 경로를 따라 순환된다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 열관리 시스템에서 제1 리저버 탱크(113), 이 제1 리저버 탱크(113)의 입구측에 배치된 제1 바이패스 밸브(116), 상기 제1 리저버 탱크(121)의 출구측에 배치된 제1 전동식 워터펌프(122), 그리고 제2 리저버 탱크(121)와 이 제2 리저버 탱크(121)의 출구측에 배치된 제2 전동식 워터펌프(122)는 일체로 결합된 통합형 모듈로 구비될 수 있다.
또한, 제2 냉각수 라인(127)에서 제2 라디에이터(124)의 전단(입구측) 위치와 후단(출구측) 위치 사이에 별도의 바이패스 라인, 즉 제3 바이패스 라인(128a)이 추가로 연결될 수 있다. 구체적으로는, 제3 바이패스 라인(128a)이, 제2 라디에이터(124)와 배터리(176) 사이의 제2 냉각수 라인(127)과, 배터리 칠러(125)와 제2 라디에이터(124) 사이의 제2 냉각수 라인(17)을 연결하도록 설치될 수 있다.
좀 더 구체적으로는, 제2 전동식 워터펌프(122)와 제3 전동식 워터펌프(123) 사이의 제2 냉각수 라인(127)과, 배터리 칠러(125)와 열교환기(158) 사이의 제2 냉각수 라인(127)을 연결하도록 제3 바이패스 라인(128a)이 설치될 수 있다. 이때, 제2 전동식 워터펌프(122)와 제3 전동식 워터펌프(123) 사이의 제2 냉각수 라인(127)에서 제3 바이패스 라인(128a)이 분기되는 분기점 위치는, 제2 냉각수 라인(127)에서 제2 전동식 워터펌프(122)와 제2 바이패스 라인(128)이 분기된 분기점 사이의 위치가 될 수 있다.
결국, 제2 냉각수 라인(127)은 제2 바이패스 라인(128) 및 제3 바이패스 라인(128a)을 기준으로 제1 순환 라인(127a)과 제2 순환 라인으로 나누어질 수 있다. 여기서, 제1 순환 라인은 제2 리저버 탱크(121), 제2 전동식 워터펌프(122), 제3 바이패스 라인(128a), 열교환기(158), 그리고 저온 라디에이터인 제2 라디에이터(125)의 경로를 따라 연결된 냉각수 순환 라인이 된다. 또한, 제2 순환 라인(127b)은 제3 전동식 워터펌프(122), 배터리(176), 배터리 히터(126), 배터리 칠러(125), 제2 바이패스 밸브(129) 및 제2 바이패스 라인(128)의 경로를 따라 연결된 냉각수 순환 라인이 된다.
그리고, 본 발명의 실시예에 따른 열관리 시스템은 에어컨 시스템(140)을 포함할 수 있다. 에어컨 시스템(140)은, 냉매를 압축하는 압축기(E-Comp)(144), 압축기(144)에 의해 압축된 냉매를 응축하여 액화시키는 외부 응축기(COND)(146), 외부 응축기(146)에 의해 응축되어 액화된 냉매를 급속히 팽창시키는 제1 팽창밸브(147), 그리고 제1 팽창밸브(147)에 의해 팽창된 냉매를 증발시키면서 냉매의 증발 잠열을 이용하여 자동차 실내로 송풍되는 공기를 냉각하는 증발기(EVAP)(153) 등을 주요한 구성요소로 포함한다.
여기서, 외부 응축기(146)는 외기가 통과할 수 있도록 차량 전단부(1)의 외기도입통로(1a)에 구비된다. 외부 응축기(146)는 차량 전단부(1)의 외기도입통로(1a)에서 제2 라디에이터(124)의 전방에 배치될 수 있고, 이때 제2 라디에이터(124)의 후방에 제1 라디에이터(113)가 배치될 수 있다. 따라서, 외기도입구(2)를 통해 들어온 외기가 외기도입통로(1a)에서 외부 응축기(146), 제2 라디에이터(124), 제1 라디에이터(113)의 순서대로 통과하게 된다.
또한, 공조 케이스(141)의 내부에서 증발기(153)의 후방으로 내부 응축기(ICOND)(145)가 배치되고, 이에 공조 블로워(148)에 의해 송풍되는 공기가 증발기(153)와 내부 응축기(145)를 차례로 통과한 뒤 차량 실내로 토출될 수 있도록 되어 있다.
또한, 공조 케이스(141)의 내부에서 내부 응축기(145)의 후방으로 전기 히터(142)가 배치되며, 이 전기 히터(142)는 실내 난방을 위한 히터(PTC 히터)로서, 주 난방 장치로 이용된다. 이로써, 난방 모드에서는 전기 히터(142)를 작동시켜 공조 블로워(148)에 의해 송풍되는 난방용 공기가 전기 히터에 의해 가열된 뒤 차량 실내로 토출되도록 하고, 이에 차량 실내 난방이 이루어질 수 있다.
반면, 냉방 모드(에어컨 모드)에서는 압축기(144)를 작동시킴과 동시에 냉매를 제1 팽창밸브(147)를 통해 증발기(153)로 순환시킴으로써 공조 블로워(148)에 의해 송풍되는 공기가 증발기(153)에 의해 냉각(냉매와의 열교환)된 뒤 차량 실내로 토출되도록 하고, 이에 차량 실내 냉방이 이루어질 수 있다.
또한, 에어컨 시스템(140)의 압축기(144)에 의해 압축된 고온, 고압의 냉매가 내부 응축기(145)의 내부를 통과하는 동안, 이 고온, 고압의 냉매와 공조 블로워(148)에 의해 송풍된 공기 사이의 열교환이 이루어질 수 있고, 이때 공기가 냉매에 의해 가열된 후 차량 실내로 토출될 수 있다. 이에 내부 응축기(145)는 주 난방 장치인 전기 히터(142)와 함께 차량 실내 난방에 이용될 수 있다.
그리고, 공조 케이스(141) 내에서 증발기(153)와 내부 응축기(145) 사이에는 개폐 도어(143)가 배치되고, 이 개폐 도어(143)는 내부 응축기(145)를 통과하는 통로를 선택적으로 개폐한다. 개폐 도어(143)의 작동에 있어서, 차량의 난방 모드에서는 증발기(153)를 통과한 공기가 내부 응축기(145)와 전기 히터(142)를 통과하도록 개방되고, 차량의 냉방 모드에서는 증발기(153)를 통과하면서 냉각된 공기가 내부 응축기(145)와 전기 히터(142)를 거치지 않고 바로 차량 실내로 토출되도록 내부 응축기(145)와 전기 히터(142)측을 폐쇄한다.
에어컨 시스템(140)에서, 압축기(144), 외부 응축기(146), 제1 팽창밸브(147), 증발기(153) 사이에는 냉매가 순환될 수 있도록 냉매 라인(155)이 연결되며, 상기 압축기(144)와 증발기(153) 사이의 냉매 라인(155)에 어큐뮬레이터(accumulator)(154)가 설치될 수 있다.
또한, 내부 응축기(145)가 냉매 라인(155)을 통해 외부 응축기(146)에 연결될 수 있고, 이때 내부 응축기(145)는 압축기(144)와 외부 응축기(146) 사이의 냉매 라인(155)에 배치될 수 있고, 공조 케이스(141)의 내부에서 증발기(153)의 후방 및 전기 히터(142)의 전방에 배치될 수 있다.
결국, 에어컨 시스템(140)에서는 냉매가 어큐뮬레이터(154), 압축기(144), 내부 응축기(145), 열교환기(158), 외부 응축기(146), 제1 팽창밸브(147), 증발기(153), 어큐뮬레이터(154)의 경로로 순환환될 수 있다. 압축기(144)는 기체 상태의 냉매를 고온, 고압으로 압축하고, 어큐뮬레이터(154)는 압축기(144)에 기체 상태의 냉매만이 공급되도록 함으로써 압축기(144)의 효율 및 내구성을 향상시킨다.
외부 응축기(146)는 압축기(144)에 의해 압축된 뒤 내부 응축기(145)를 통과한 냉매를 쿨링팬(130)에 의해 흡입된 외기와 열교환시켜 응축한다. 제1 팽창밸브(147)는 외부 응축기(146)에 의해 응축된 냉매를 공급받아 팽창시키며, 제1 팽창밸브(147)를 통과한 저온, 저압의 냉매가 증발기(153)로 공급된다.
이에 증발기(153)에서 제1 팽창밸브(147)에 의해 팽창된 냉매와 공조 블로워(148)에 의해 차량 실내로 송풍되는 냉방용 공기 간의 열교환이 이루어지고, 열교환을 통해 냉각된 공기가 차량 실내로 토출되어 실내 냉방이 이루어지게 된다. 제1 팽창밸브(147)는 솔레노이드 밸브 일체형 팽창밸브가 될 수 있다.
한편, 열관리 시스템은 배터리(176)의 냉각을 위해 제2 냉각수 라인(127)을 따라 순환하는 냉각수를 냉매와의 열교환을 통해 냉각하는 배터리 칠러(125)를 포함한다. 상기 배터리 칠러(125)는 제2 냉각수 라인(127)과 냉매 라인(155)에 설치될 수 있다.
보다 구체적으로는, 배터리 칠러(125)는 배터리(176)를 냉각하기 위한 제2 냉각수 라인(127)과 에어컨 시스템(140)의 냉매 라인(155)에 설치될 수 있다. 여기서, 배터리 칠러(125)가 설치되는 냉매 라인(155)은 에어컨 시스템(140)의 냉매 라인(155)으로부터 분기된 별도의 분기 냉매 라인(156,157)이 될 수 있다.
여기서, 배터리 칠러(125)가 설치되는 분기 냉매 라인(156,157)은 외부 응축기(146)와 제1 팽창밸브(147) 사이의 냉매 라인(155)으로부터 분기되어 증발기(153)와 어큐뮬레이터(154) 사이의 냉매 라인(155)으로 연결되는 분기 냉매 라인일 수 있다.
이때, 배터리 칠러(125)의 냉매 입구는 제3 팽창밸브(152) 및 입구측 분기 냉매 라인(156)을 통해 외부 응축기(146)와 제1 팽창밸브(147) 사이의 냉매 라인(155)으로 연결된다. 또한, 배터리 칠러(125)의 냉매 출구는 출구측 분기 냉매 라인(157)을 통해 증발기(153)와 어큐뮬레이터(154) 사이의 냉매 라인(155)으로 연결된다.
즉, 입구측 분기 냉매 라인(156)은 외부 응축기(146)와 제1 팽창밸브(147) 사이의 냉매 라인(155)으로부터 분기되어 제3 팽창밸브(152)를 통해 배터리 칠러(125)의 냉매 입구로 연결된 분기 냉매 라인이고, 출구측 분기 냉매 라인(157)은 증발기(153)와 어큐뮬레이터(154) 사이의 냉매 라인(155)으로부터 분기되어 배터리 칠러(125)의 냉매 출구로 연결된 분기 냉매 라인이다.
제3 팽창밸브(152)는 배터리 칠러(125)의 냉매 입구나 입구측 분기 냉매 라인(156)에 설치될 수 있고, 냉방 모드시 냉매 라인(155)으로부터 분기된 입구측 분기 냉매 라인(156)을 통해 배터리 칠러(125)로 유입되는 냉매를 팽창시킨다. 이에 입구측 분기 냉매 라인(156)을 통해 제3 팽창밸브(152)로 유입된 냉매가 팽창과 동시에 온도가 저하된 상태로 배터리 칠러(125)에 유입될 수 있게 된다.
이에 따라 외부 응축기(146)에 의해 응축된 냉매가 냉매 라인(155)으로부터 입구측 분기 냉매 라인(156)을 통해 제3 팽창밸브(152)로 유입되고, 제3 팽창밸브(152)를 통과하는 동안 팽창된 저온, 저압의 냉매가 배터리 칠러(125)로 유입되면, 이어 냉매는 배터리 칠러(125)의 내부를 통과한 뒤 출구측 분기 냉매 라인(157)을 통해 다시 냉매 라인(155)으로 배출된다.
전술한 바와 같이, 배터리 칠러(125)에는 제2 냉각수 라인(127)이 연결된다. 이에 배터리 칠러(125)의 내부에는 배터리(176)의 냉각을 위해 제2 냉각수 라인(127)을 따라 순환하는 냉각수가 통과하도록 되어 있다. 결국, 배터리 칠러(125)의 내부를 통과하는 냉각수와 저온의 냉매 사이에 열교환이 이루어질 수 있고, 배터리 칠러(125)에서 냉매와의 열교환에 의해 냉각된 냉각수가 제2 냉각수 라인(127)을 따라 순환될 수 있으며, 냉각된 냉각수에 의해 배터리(176)가 냉각될 수 있다.
그리고, 열관리 시스템은, 제1 냉각수 라인(114), 제2 냉각수 라인(127), 냉매 라인(155) 사이에 설치되어 냉각수와 냉매 사이의 열교환이 이루어지는 열교환기(158)를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 라디에이터(113)에 연결된 제1 냉각수 라인(114)에서 열교환기(158)가 배치되는 위치는, 전력전자 부품(171-175)으로부터 제1 바이패스 밸브(116) 및 제1 라디에이터(113)의 입구로 연결되는 위치가 될 수 있다. 상기 제2 라디에이터(124)에 연결된 제2 냉각수 라인(127)에서 열교환기(158)가 배치되는 위치는, 배터리 칠러(125) 및 제2 바이패스 밸브(129)로부터 제2 라디에이터(124)의 입구로 연결되는 위치가 될 수 있다.
또한, 냉매 라인(155)에서 열교환기(158)가 배치되는 위치는, 내부 응축기(145)와 외부 응축기(146) 사이의 냉매 라인이 될 수 있다. 이때, 열교환기(158)의 냉매 입구가 냉매 라인(155)을 통해 내부 응축기(145)에 연결되고, 열교환기(158)의 냉매 출구가 냉매 라인(155)을 통해 외부 응축기(146)에 연결된다.
또한, 열교환기(158)의 냉매 입구에 연결된 입구측 냉매 라인(155)에 제2 팽창밸브(151)가 설치될 수 있다. 또한, 입구측 냉매 라인(155)에서 제습 라인(161)이 분기되어 제1 팽창밸브(147)와 증발기(153) 사이의 냉매 라인(155)으로 연결될 수 있다.
상기 입구측 냉매 라인(155)에서 제습 라인(161)이 분기되는 위치는 열교환기(158)의 입구와 제2 팽창밸브(151) 사이의 냉매 라인이 될 수 있다. 이에 제습 라인(161)은 열교환기(158)의 입구와 제2 팽창밸브(151) 사이의 냉매 라인(155)으로부터 제1 팽창밸브(147)와 증발기(153) 사이의 냉매 라인(155)으로 연결되는 별도 냉매 라인이 된다.
그리고, 열교환기(158)의 출구 또는 이 출구에서 외부 응축기(146)로 연결되는 냉매 라인(155)에는 냉매 제어밸브(159)가 설치될 수 있고, 냉매 제어밸브(159)는 3-웨이 밸브일 수 있다. 또한, 열교환기(158)의 입구측 냉매 라인(155)으로부터 분기된 제습 라인(161)에는 제습 밸브(162)가 설치될 수 있고, 이 제습 밸브(162)는 제습 라인(161)을 개폐하는 2-웨이 밸브일 수 있다.
또한, 냉매 제어밸브(159)에는 별도의 연결 라인(160)이 연결되고, 이 연결 라인(160)은 증발기(153)와 어큐뮬레이터(154) 사이의 냉매 라인(155)으로 연결된다. 즉, 열교환기(158)의 출구측에 위치되는 냉매 제어밸브(159)에는, 열교환기(158)의 출구, 상기 연결 라인(160), 그리고 외부 응축기(146)로의 냉매 라인(155)이 각각 연결된다.
이와 같은 냉매 제어밸브(159)는 열교환기(158)를 통과한 냉매의 유동 방향을 제어하는데, 열교환기(158)를 통과한 냉매를 연결 라인(160)과 외부 응축기(146)로의 냉매 라인(155) 중 선택된 하나로만 흐르도록 냉매의 유동 방향을 제어할 수 있다. 상기 연결 라인(160)은 열교환기(158)를 통과한 냉매가 에어컨 시스템의 부품들인 외부 응축기(146)와 제1 팽창밸브(147), 증발기(153)를 통과하지 않고 이들을 바이패스(우회)하도록 해주는 일종의 바이패스 라인이라 할 수 있다.
또한, 열관리 시스템에서 열교환기(158)는 냉방 모드시 수냉식 응축기의 역할을 한다. 즉, 냉각수에 의해 냉매의 응축이 이루어지도록 하는 것이다. 냉방 모드시, 상기 두 냉각수 라인(114, 127)을 따라 흐르는 냉각수가 열교환기(158)를 통과하고, 내부 응축기(145)를 통과한 냉매가 냉매 라인(155) 및 제2 팽창밸브(151)를 통해 열교환기(158)를 통과하는 동안, 냉각수와 냉매 간의 열교환이 이루어지는데, 이때의 열교환은 열이 냉매에서 냉각수로 전달되어 냉각수에 의한 냉매의 추가적인 응축(냉매 냉각)이 이루어지도록 하는 열교환이다.
반면, 난방 모드시, 두 냉각수 라인(114,127)을 따라 흐르는 냉각수가 열교환기(158)를 통과하고, 내부 응축기(145)를 통과한 뒤 냉매 라인(155) 및 제2 팽창밸브(151)를 통해 공급된 냉매가 열교환기(158)를 통과하는 동안, 냉각수와 냉매 간의 열교환이 이루어질 수 있다. 이때의 열교환은 열이 냉각수에서 냉매로 전달되어 냉각수에 의한 냉매의 가열이 이루어지도록 하는 열교환이다.
이와 같이 난방 모드시 열교환기(158)가 냉각수의 열이 냉매로 전달되도록 하여 냉각수 및 냉매를 통해 폐열을 회수하는 폐열 회수 칠러의 역할을 할 수 있다. 또한, 난방 모드시 열관리 시스템에서 냉각수와 냉매가 순환하는 구성들이 히트 펌프 시스템으로 작동하고, 히트 펌프 시스템으로 작동하는 동안 전력전자 부품(171-175)과 배터리(176)의 폐열을 냉각수와 냉매를 통해 회수하여 내부 응축기(145)를 통해 차량 실내 난방에 이용할 수 있게 된다.
이때, 상기 히트 펌프 시스템은, 압축기(144), 공조 케이스(141) 내에 설치되어 압축기(144)에 의해 압축된 냉매가 통과하도록 구비된 내부 응축기(145), 압축기(144)와 내부 응축기(145) 사이에 냉매가 순환하도록 연결된 냉매 라인(155), 상기 냉각 시스템의 냉각수 라인(114,127)과 상기 내부 응축기(145)에서 외부 응축기(146)로 연결되는 냉매 라인(155)이 통과하도록 구비되어 냉각수와 냉매 사이의 열교환이 이루어지는 열교환기(158)를 포함하는 구성이 될 수 있다.
이에 더하여, 상기 히트 펌프 시스템은, 열교환기(158) 입구측의 냉매 라인(155), 즉 상기 내부 응축기(145)와 열교환기(158) 사이의 냉매 라인(155)에 설치되는 제2 팽창밸브(151)를 더 포함할 수 있다.
그리고, 본 발명의 실시예에 따른 열관리 시스템에서는, 전력전자 부품(171) 입구측의 제1 냉각수 라인(114)과 전력전자 부품(175) 출구측의 제1 냉각수 라인(114) 사이를 연결하는 별도의 유량 증대용 바이패스 라인(117)이 더 설치된다.
구체적으로, 유량 증대용 바이패스 라인(117)은, 제1 라디에이터(113)의 출구에서 전력전자 부품(도 1에서 전륜 인버터임, 171)으로 연결되는 제1 냉각수 라인(114)과, 전력전자 부품(도 1에서 전륜 모터임, 175)으로부터 열교환기(158)로 연결되는 제1 냉각수 라인(114) 사이에 설치된다.
또한, 제1 냉각수 라인(114)에서 유량 증대용 바이패스 라인(117)이 분기된 분기점 위치에는 3-웨이 밸브인 냉각수 제어밸브(118)가 설치된다. 상기 냉각수 제어밸브(118)는 제어기(10)에 의해 개도 상태가 제어되는 전자식 3-웨이 밸브일 수 있다.
상기 제1 라디에이터(113)의 출구와 전력전자 부품(171) 사이의 제1 냉각수 라인(114)에서 유량 증대용 바이패스 라인(117)이 분기된 위치는, 제1 전동식 워터펌프(112)의 출구측 위치인 동시에 전력전자 부품(171)의 입구측 위치이고, 이 분기된 위치에 상기 냉각수 제어밸브(118)가 설치될 수 있다.
또한, 본 발명에서 전력전자 부품 출구측의 제1 냉각수 라인에 제1 온도센서(6)가 설치될 수 있다. 이때, 제1 온도센서(6)의 위치는 열교환기(158) 입구측의 제1 냉각수 라인(114)에서 유량 증대용 바이패스 라인(117)이 분기된 분기점과 전력전자 부품(175) 사이의 위치가 될 수 있다.
또한, 제2 냉각수 라인(127)에 냉각수 온도를 검출하는 제2 온도센서(7)가 설치될 수 있다. 상기 제2 온도센서(7)는 제2 냉각수 라인(127)에서 열교환기(158)입구측 위치에 설치될 수 있다.
상기 제1 온도센서(6)와 제2 온도센서(7)는 도 2에 나타낸 바와 같이 제어기(10)에 신호를 입력할 수 있도록 연결되는데, 이에 제어기(10)는 제1 온도센서(6)에서 출력되는 신호, 및 제2 온도센서(7)에서 출력되는 신호를 입력받아 각 온도센서가 설치된 위치에서의 냉각수 온도 정보를 취득할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 열관리 시스템은, 그 제어를 위해, 외기온도를 검출하는 외기온 센서(3), 차속을 검출하는 차속센서(4), 그리고 운전자 등 사용자의 시스템 조작을 위해 차량에 구비되는 조작부(5)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 조작부(5)는 사용자가 실내 난방 등을 작동시키기 위해 조작하게 되는 스위치나 버튼, 다이얼 등이 될 수 있다. 상기 외기온 센서(3)와 차속센서(4), 조작부(5)는 도 2에 나타낸 바와 같이 제어기(10)에 신호 입력 가능하도록 연결된다.
이상으로 본 발명의 실시예에 따른 열관리 시스템의 구성에 대해 상세히 설명하였다. 이하에서는 열관리 시스템의 난방 모드별 작동 상태와 제어 과정에 대해 설명하기로 한다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 열관리 시스템의 작동 및 제어 상태를 난방 모드별로 정리한 도면이고, 도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 열관리 시스템의 난방 모드별 냉각수 및 냉매의 유동 상태를 나타낸 도면이다. 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 열관리 시스템의 제어 과정을 나타낸 순서도이다.
이하의 설명에서 제1 온도센서(6)에 의해 검출되는 냉각수 온도를 '제1 검출온도', 제2 온도센서(7)에 의해 검출되는 냉각수 온도를 '제2 검출온도'라 칭하기로 한다. 또한, 액티브 에어 플랩(11)을 'AAF'라 약칭하기로 한다.
도 3a 및 도 3b에서 '외기온도'는 외기온 센서(3)에 의해 검출되는 온도이고, 'α'와 'β'는 각각 제어기(10)에 미리 설정되는 제1 설정온도와 제2 설정온도이며, 'COP'는 성능 계수(Coefficietn of Performance)를 나타낸다. 도 3b에서 COP 값은 예시이며, 이는 실차 튜닝 및 적용시 변경 가능한 값이다. 도 3b에서 '제1 EWP'는 제1 전동식 워터펌프(112)를, '제2 EWP'는 제2 전동식 워터펌프(122)를 의미한다. 도 3a 및 도 3b에서 'PE'는 전력전자 부품(171-175)을 의미한다.
또한, 도 4 내지 도 7에서 냉각수 라인(114,127)과 냉매 라인(155) 중 굵은 실선으로 표시한 구간은 냉각수와 냉매가 해당 라인을 따라 순환되고 있음을 나타낸다. 또한, 냉각수 라인(114,127)에서 가는 실선으로 표시한 구간은 냉각수가 순환되지 않음을 나타낸다 할 수 있다. 또한, 냉매 라인(155)에서 점선으로 표시한 구간은 냉매가 순환되지 않음을 나타낸다 할 수 있다.
먼저, 사용자가 조작부(5)를 조작하여 실내 난방(히트 펌프 시스템)을 작동시키면, 제어기(10)는 제1 온도센서(6) 및 제2 온도센서(7)에 의해 각각 검출되는 냉각수 온도와, 외기온 센서(3)에 의해 검출되는 외기온도에 기초하여 난방 모드를 선택 및 결정한다.
본 발명에서 제공되는 난방 모드 중 제1 모드와 제2 모드는 제1 검출온도가 '외기온도 + α'보다 높은 조건일 때 실행되고, 이 실행 조건을 만족하는 영역은 전력전자 부품(171-175)의 온도, 즉 PE 열원의 온도가 설정수준보다 높은 영역이라 할 수 있다.
그리고, 제1 검출온도가 '외기온도 + α'보다 높은 조건인 동시에, 제2 검출온도가 '외기온도 - β' 이하인 경우, 이는 공기열 회수가 가능한 조건 및 영역으로서, 제어기(10)에 의해 제1 모드가 선택된다. 반면, 제1 검출온도가 '외기온도 + α'보다 높은 조건이면서, 제2 검출온도가 '외기온도 - β'를 초과하는 경우, 이는 공기열 회수가 불가능한 조건 및 영역으로서, 제어기(10)에 의해 제2 모드가 선택된다.
제1 모드에서는 제어기(10)가 제1 전동식 워터펌프(112)와 제2 전동식 워터펌프(122)를 모두 작동시켜 제1 냉각수 라인(114)과 제2 냉각수 라인(127)의 각 정해진 경로를 따라 냉각수를 순환시킨다. 이때, 제1 라디에이터(113)와 제2 라디에이터(124) 중 제2 라디에이터(124)에만 냉각수가 통과할 수 있도록 하며, 이에 제2 라디에이터(124)를 이용하는 공기열 회수가 이루어지도록 한다.
반면, 제2 모드에서는 제어기(10)가 제1 전동식 워터펌프(112)를 작동시켜 제1 냉각수 라인(114)의 정해진 경로(제1 라디에이터를 통과하지 않는 경로임)를 따라서는 냉각수를 순환시키지만, 제2 전동식 워터펌프(122)는 정지 상태로 유지하여 제2 라디에이터(124)를 지나는 제2 냉각수 라인 경로로는 냉각수를 순환시키지 않는다.
이로써, 제1 모드에서는 PE 열 회수와 제2 라디에이터(124)를 이용한 공기열 회수가 모두 가능하고, 제2 모드에서는 PE 열 회수는 가능하지만 제2 라디에이터(124)를 이용한 공기열 회수는 이루어지지 않는다. 또한, 공기열 회수가 실행되는 제1 모드에서 제어기(10)가 AAF(11)를 열어주고(OPEN), 공기열 회수가 실행되지 않는 제2 모드에서는 제어기(10)가 AAF(11)를 닫아준다(CLOSE).
도 4는 제1 모드의 냉각수 및 냉매 유동 상태를 나타낸 도면으로, 제1 모드에서는, 제어기(10)에 의해, 압축기(144)가 구동되고, 동시에 제2 팽창밸브(151)가 개방되며, 외부 응축기(146)로 연결된 냉매 라인(155)측은 차단하고 연결 라인(160)측을 개방하도록 냉매 제어밸브(159)의 개도 상태가 제어된다. 이에 냉매는 전체 냉매 라인(155) 중 압축기(144), 내부 응축기(145), 제2 팽창밸브(151), 열교환기(158), 냉매 제어밸브(159), 어큐뮬레이터(154), 다시 압축기(144)로 이어지는 경로를 따라 순환된다. 이러한 냉매 순환은 후술하는 제2 내지 제4 모드에서도 동일하다.
또한, 제1 모드에서는 제어기(10)가 제1 전동식 워터펌프(112)와 제2 전동식 워터펌프(122)를 작동시켜 냉각수를 순환시키되, 유량 증대용 바이패스 라인(117)측은 차단하고 제1 전동식 워터펌프(112)측 제1 냉각수 라인(114)과 전력전자 부품(171-175) 제1 냉각수 라인(114)측을 연통시키도록 냉각수 제어밸브(118)의 개도 상태가 제어기(10)에 의해 제어된다.
또한, 제어기(10)는 냉각수가 제1 라디에이터(113)를 바이패스(우회)할 수 있게 제1 바이패스 라인(115)측을 개방하도록 제1 바이패스 밸브(116)의 개도 상태를 제어한다. 이에 제1 냉각 회로(110)의 냉각수는 제1 전동식 워터펌프(112), 냉각수 제어밸브(118), 전력전자 부품(171-175), 열교환기(158), 제1 바이패스 라인(115), 제1 바이패스 밸브(116), 제1 리저버 탱크, 다시 제1 전동식 워터펌프(112)의 경로를 따라 순환된다.
또한, 제1 모드에서 제어기(10)는 제2 바이패스 라인(128)측을 개방하도록 제2 바이패스 밸브(129)의 개도 상태를 제어하고, 이로써 제3 전동식 워터펌프(123), 배터리(176), 배터리 히터(126), 배터리 칠러(125), 제2 바이패스 밸브(129) 사이를 연결하고 있는 제2 냉각수 라인(127)과 제2 바이패스 라인(128)을, 제2 라디에이터(124) 및 열교환기(158)를 지나는 나머지 제2 냉각수 라인(127)과 분리한다.
이에 제1 모드에서 제2 냉각 회로(120)의 냉각수, 즉 제2 냉각수 라인(127)의 냉각수는 제2 전동식 워터펌프(122), 제3 바이패스 라인(128a), 열교환기(158), 제2 라디에이터(124), 제2 리저버 탱크(121), 다시 제2 전동식 워터펌프(122)로 이어지는 경로를 따라 순환된다.
이로써, 제1 모드에서는 전력전자(PE) 부품의 열이 냉각수로 전달된 뒤 열교환기(158)에서 냉매로 전달될 수 있고, 이후 냉매로 전달된 열이 내부 응축기(145)에서 난방을 위해 사용될 수 있는바, 전력전자 부품(171-175)의 열이 회수되어 난방에 사용되는 PE 열 회수 작동이 가능해진다.
또한, AAF(11)가 개방된 상태에서, 냉각수가 저온 라디에이터(LTR)인 제2 라디에이터(124)를 통과하는 동안 외기(공기)의 열을 흡수할 수 있고, 이후 냉각수가 제2 냉각수 라인(127)을 따라 이동한 뒤 열교환기(158)에서 외기로부터 흡수한 열을 냉매로 전달할 수 있다. 이후 냉매로 전달된 열이 내부 응축기(145)에서 난방을 위해 사용될 수 있는바, 외기의 열이 회수되어 난방에 사용되는 공기열 회수 작동이 가능해진다.
다음으로, 도 5는 제2 모드의 냉각수 및 냉매 유동 상태를 나타낸 도면으로, 공기열 회수가 불가능한 외기온도 및 냉각수 온도(제2 검출온도) 조건에서 제2 모드가 선택된다.
제2 모드는 제1 모드와 비교하여 제2 전동식 워터펌프(122)를 정지시켜 도 5에서와 같이 제2 라디에이터(124)를 지나는 제2 냉각수 라인 경로로는 냉각수가 흐르지 않도록 하는 점에서 차이가 있다. 이에 도 5의 제2 모드에서는 제2 라디에이터(124)를 이용한 공기열 회수가 실행되지 않는다.
다음으로, 제3 모드와 제4 모드는 제1 검출온도가 '외기온도 + α' 이하인 조건일 때 실행되고, 이 실행 조건을 만족하는 영역은 전력전자 부품(171-175)의 온도, 즉 PE 열원의 온도가 설정수준 이하로 낮은 영역이라 할 수 있다. 이와 같이 제1 검출온도가 '외기온도 + α' 이하인 조건 및 그 영역은 전력전자 부품(171-175)의 온도가 너무 낮아 PE 열 회수가 이루어지지 않도록 하는 조건 및 영역이라 할 수 있고, 공기열 회수만 가능하다.
그리고, 제1 검출온도가 '외기온도 + α' 이하인 동시에, 제2 검출온도가 '외기온도 - β' 이하인 경우, 이는 공기열 회수가 가능한 조건 및 영역으로서, 제어기(10)에 의해 제3 모드가 선택된다. 반면, 제1 검출온도가 '외기온도 + α' 이하인 동시에, 제2 검출온도가 '외기온도 - β'를 초과하는 경우, 이는 공기열 회수도 불가능한 조건 및 영역으로서, 제어기(10)에 의해 제4 모드가 선택된다. 제3 모드는 제1 라디에이터(113)와 제2 라디에이터(124)를 모두 이용하여 공기열을 회수하는 모드이고, 제4 모드는 PE 열 회수뿐만 아니라 공기열 회수도 이루어지지 않는 모드이다.
제3 모드에서는 제어기(10)가 제1 전동식 워터펌프(112)와 제2 전동식 워터펌프(122)를 모두 작동시켜 제1 냉각수 라인(114)과 제2 냉각수 라인(127)의 각 정해진 경로를 따라 냉각수를 순환시킨다. 반면, 제4 모드에서는 제어기(10)가 제1 전동식 워터펌프(112)와 제2 전동식 워터펌프(122)를 모두 정지시켜 제1 라디에이터(113)와 제2 라디에이터(124) 모두가 이용되지 않으며, 전력전자 부품(171-175)을 지나는 제1 냉각수 라인 경로뿐만 아니라 제2 라디에이터(124)를 지나는 제2 냉각수 라인 경로를 통해서도 냉각수를 순환시키지 않는다.
이로써, 제3 모드에서는 PE 열 회수는 불가능하지만 제1 라디에이터(113)와 제2 라디에이터(124)를 이용한 공기열 회수가 가능하고, 제4 모드에서는 PE 열 회수뿐만 아니라 라디에이터를 이용한 공기열 회수도 이루어지지 않는다. 또한, 제어기(10)는 공기열 회수가 실행되는 제3 모드에서 AAF(11)를 열어주고, 공기열 회수가 실행되지 않는 제4 모드에서 AAF(11)를 닫아준다.
도 6은 제3 모드의 냉각수 및 냉매 유동 상태를 나타낸 도면으로, 제3 모드에서도, 제어기(10)에 의해, 압축기(144)가 구동되고, 동시에 제2 팽창밸브(151)가 개방되며, 외부 응축기(146)로 연결된 냉매 라인(155)측은 차단하고 연결 라인(160)측을 개방하도록 냉매 제어밸브(159)의 개도 상태가 제어된다. 이에 냉매는 전체 냉매 라인(155) 중 압축기(144), 내부 응축기(145), 제2 팽창밸브(151), 열교환기(158), 냉매 제어밸브(159), 어큐뮬레이터(154), 다시 압축기(144)로 이어지는 경로를 따라 순환된다.
또한, 제3 모드에서 제어기(10)는 제1 전동식 워터펌프(112)와 제2 전동식 워터펌프(122)를 작동시켜 냉각수를 순환시키되, 유량 증대용 바이패스 라인(117)측은 개방하고 제1 전동식 워터펌프(112)측 제1 냉각수 라인(114)과 전력전자 부품(171-175)측 제1 냉각수 라인(114)을 연통시키도록 냉각수 제어밸브(118)의 개도 상태가 제어기(10)에 의해 제어된다.
또한, 제3 모드에서 제어기(10)는 제1 라디에이터(113)로도 냉각수가 통과할 수 있게 제1 바이패스 라인(115)측을 차단하고 제1 라디에이터(113) 출구측 제1 냉각수 라인(114)과 제2 리저버 탱크(121)측을 연통시키도록 제1 바이패스 밸브(116)의 개도 상태를 제어한다.
이에 제1 냉각 회로(110)의 냉각수가 유량 증대용 바이패스 라인(117)을 통해 흐르게 되면서 전력전자 부품(171-175)을 통과하지 않고 바이패스(우회)하게 된다. 결국, 냉각수는 제1 전동식 워터펌프(112), 냉각수 제어밸브(118), 유량 증대용 바이패스 라인(117), 열교환기(158), 제1 라디에이터(113), 제1 바이패스 밸브(116), 제1 리저버 탱크(111), 다시 제1 전동식 워터펌프(112)의 경로를 따라 순환된다.
이와 같이 제3 모드에서는 냉각수가 전력전자 부품(171-175)을 통과하지 않게 되면서 제1 라디에이터(113)를 지나는 제1 냉각수 라인 경로에서의 냉각수 유량 손실이 최소될 수 있게 되고, 공기열 회수를 위한 제1 냉각수 라인 경로에서의 냉각수 유량이 전력전자 부품(171-175)을 통과하는 경우에 비해 증대되는 효과를 나타낼 수 있게 된다.
또한, 제3 모드에서 제어기(10)는 제2 바이패스 라인(128)측을 개방하도록 제2 바이패스 밸브(129)의 개도 상태를 제어하고, 이로써 제3 전동식 워터펌프(123), 배터리(176), 배터리 히터(126), 배터리 칠러(125), 제2 바이패스 밸브(129) 사이를 연결하고 있는 제2 냉각수 라인(127)과 제2 바이패스 라인(128)을, 제2 라디에이터(124)를 통과하는 나머지 제2 냉각수 라인(127)과 분리한다.
이에 제3 모드에서 제2 냉각 회로(120)의 냉각수, 즉 제2 냉각수 라인(127)의 냉각수는 제2 전동식 워터펌프(122), 제3 바이패스 라인(128a), 열교환기(158), 제2 라디에이터(124), 제2 리저버 탱크(121), 다시 제2 전동식 워터펌프(122)의 경로로 순환된다. 이러한 제2 냉각수 라인(127)의 냉각수 경로는 제1 모드와 비교하여 차이가 없다.
이로써, 제3 모드에서는 냉각수가 전력전자(PE) 부품(171-175)을 통과하지 않기 때문에 PE 열 회수는 불가능하지만, 냉각수를 제1 라디에이터(113)에 통과시키므로 제1 라디에이터(113)를 이용하는 공기열 회수는 가능하다.
즉, AAF(11)가 개방된 상태에서, 냉각수가 고온 라디에이터(HTR)인 제1 라디에이터(113)를 통과하는 동안 외기(공기)의 열을 흡수할 수 있고, 이후 냉각수가 제1 냉각수 라인(114)을 따라 이동한 뒤 열교환기(158)에서 외기로부터 흡수한 열을 냉매로 전달할 수 있다. 이후 냉매로 전달된 열이 내부 응축기(145)에서 난방을 위해 사용될 수 있는바, 제1 라디에이터(113)에서 외기 열이 회수되어 난방에 사용되는 공기열 회수 작동이 가능해진다.
마찬가지로, 냉각수가 저온 라디에이터(LTR)인 제2 라디에이터(124)를 통과하는 동안 외기(공기)의 열을 흡수할 수 있고, 이후 냉각수가 제2 냉각수 라인(127)을 따라 이동한 뒤 열교환기(158)에서 외기로부터 흡수한 열을 냉매로 전달할 수 있다. 이후 냉매로 전달된 열이 내부 응축기(145)에서 난방을 위해 사용될 수 있는바, 제2 라디에이터(124)에서 외기 열이 회수되어 난방에 사용되는 공기열 회수 작동이 가능해진다.
도 7은 제4 모드의 냉각수 및 냉매 유동 상태를 나타낸 도면으로, 제4 모드에서는 제1 전동식 워터펌프(112)와 제2 전동식 워터펌프(122)가 모두 정지 상태로 유지되며, AAF(11)는 닫힘 상태로 제어된다.
이때, 제1 라디에이터(113)와 전력전자 부품(171-175), 열교환기(158)에 연결된 제1 냉각수 라인(114)과, 제2 라디에이터(124)와 열교환기(158)에 연결된 제2 냉각수 라인(127)에서 냉각수가 모두 흐르지 않으므로, 공기열 회수도 불가능하다. 또한, 전력전자 부품(171-175)으로도 냉각수가 통과하지 않으므로 PE 열 회수도 불가능하다.
다만, 제어기(10)에 의해, 압축기(144)가 구동되고, 동시에 제2 팽창밸브(151)가 개방되며, 외부 응축기(146)로 연결된 냉매 라인(155)측은 차단하고 연결 라인(160)측을 개방하도록 냉매 제어밸브(159)의 개도 상태가 제어된다. 이에 냉매는 전체 냉매 라인(155) 중 압축기(144), 내부 응축기(145), 제2 팽창밸브(151), 열교환기(158), 냉매 제어밸브(159), 어큐뮬레이터(154), 다시 압축기(144)로 이어지는 경로를 따라 순환된다.
따라서, 제4 모드에서는, PE 열 회수 및 공기열 회수 없이, 압축기(144)에 의해 고온, 고압으로 압축된 냉매가 내부 응축기(145)에서 차량 실내로 토출되는 공기를 가열하는 난방이 이루어진다.
물론, 제1 모드에서 제4 모드까지 모두 보조 난방 장치인 히트 펌프 시스템과 함께 주 난방 장치인 전기 히터(142)를 동시에 작동시킬 수 있고, 전기 히터(142)와 히터 펌프 시스템을 함께 작동시킴으로써 전기 히터(142)에 의해 소모되는 전력을 줄일 수 있는바, 전기자동차의 1회 충전시 주행거리(AER)를 증대시킬 수 있게 된다.
특히, 저온(외기온이 낮은 조건) 주행시의 제3 모드에서 제1 라디에이터(113)와 제2 라디에이터(124) 모두를 이용하는 공기열 회수가 수행되고, 이때 제1 라디에이터(113)를 통과하는 냉각수가 전력전자(PE) 부품(171-175)은 통과하지 않도록 제어하는바, 제1 라디에이터(113)를 통과하는 냉각수의 유량을 상온 주행시의 유량 수준으로 확보하는 것이 가능해진다.
이에 대해 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명에 따른 열관리 시스템에 의한 효과 부분을 설명하기 위해 제1 모드와 제3 모드를 비교하기로 한다. 도 9는 제1 모드와 제3 모드에서 냉각수의 유량을 비교하여 나타낸 도면이다.
제1 모드와 제3 모드는 제2 라디에이터(124) 및 열교환기(158)를 통과하는 냉각수의 순환 경로와, 내부 응축기(145) 및 열교환기(158)를 통과하는 냉매의 순환 경로는 동일하다. 또한, 제2 라디에이터(124)를 이용하는 공기열 회수 작동이 이루어지는 것이 동일하며, 내부 응축기(145)를 이용하는 보조 난방이 실시되는 점도 동일하다.
다만, 제3 모드는 제1 모드에 비해 PE 열 회수가 불가능한 조건에서 선택되며, 본 발명에 따른 열관리 시스템에서 추가된 주요 특징부인 유량 증대용 바이패스 라인(117)과 냉각수 제어밸브(118)를 이용하여 냉각수 유량 증대를 도모하면서 제1 라디에이터를 이용하는 공기열 회수가 이루어지는 모드이다.
제3 모드에서는 냉각수를 전력전자(PE) 부품(171-175))으로는 통과시키지 않으므로 PE 열 회수는 이루어지지 않지만, 전력전자 부품(171-175)을 지나지 않는, 제1 라디에이터(113)와 열교환기(158) 사이의 짧은 경로로만 냉각수를 순환시키므로, 통수 저항을 줄일 수 있는 동시에, 제1 라디에이터(113)와 열교환기(158)를 통과하는 냉각수의 유량 증대를 도모할 수 있다.
제1 모드에서는 제1 라디에이터(113)를 제외하고 모터(174,175)와 인버터(171,172), 충전기 및 컨버터(173)를 포함하는 제1 냉각 회로(110)의 나머지 전 부품을 냉각수가 통과하기 때문에, 냉각수가 순환하는 동안 상대적으로 큰 통수 저항이 발생하고, 특히 영하 조건에서 도 9에서와 같이 제1 냉각 회로(110)를 순환하는 냉각수의 유량이 크게 감소한다.
반면 제3 모드에서는 냉각수가 전륜 모터(175)와 후륜 모터(174), 전륜 인버터(171)와 후륜 인버터(172), 충전기 및 저전압 DC-DC 컨버터(173)를 모두 통과하지 않기 때문에, 냉각수가 순환하는 동안 통수 저항은 제1 모드에 비해 크게 감소한다. 이때, 도 8에 나타낸 바와 같이 냉각수의 유량이 상온 수준까지 확보될 수 있다.
제1 모드에서 냉각수는 전력전자 부품(171-175)을 모두 통과해야 하므로 차량 전방의 전륜 모터(175)에서 후방에 위치한 후륜 모터(174)까지 이동한 후 다시 차량 전방의 열교환기(158)로 이동하여야 하며, 이때 차량에서 냉각수의 왕복 이동 거리는 수 미터(m)에 달한다.
따라서, 냉각수가 전륜 모터(175)와 후륜 모터(174), 다시 전방의 열교환기(158)까지 긴 거리를 이동하는 동안 열을 외부로 쉽게 빼앗길 수 있다. 그럼에도 전력전자 부품(171-175)의 열을 회수하여 난방에 사용하는 것이 유리하다면 제1 모드가 선택될 수 있다.
반면, 제3 모드에서와 같이 전력전자 부품(171-175)의 온도가 저온 조건일 때, 냉각수가 전륜 모터(175)와 후륜 모터(174), 다시 전방의 열교환기(158)까지 긴 거리를 이동하는 동안 열을 외부로 빼앗기는 것까지 고려하면, 전력전자 부품의 열을 난방에 이용하는 PE 열 회수는 거의 불가능하다.
이에 전력전자 부품(171-175)을 통과한 냉각수의 온도, 즉 제1 온도센서(6)에 의해 검출된 냉각수의 온도(제1 검출온도)가 낮아서 전력전자 부품(171-175)의 열을 난방에 이용하기에는 부족할 때(PE 열 회수가 불가능할 때), 제1 라디에이터(113)와 열교환기(158)를 순환하는 냉각수의 유량을 최대로 증대시킬 수 있는 제3 모드가 실행되도록 한다.
즉, 저온 조건에서 전력전자 부품(171-175)의 열을 난방에 이용하기에는 부족할 때, 제3 모드로 진입하여 냉각수 유량을 증대시키고 공기열을 최대한 회수하는 것이 히트 펌프 시스템의 성능을 극대활 수 있는 것이다. 이로써, 히트 펌프 시스템의 성능이 극대화될 수 있고, 전기 히터(142)에서의 전력 소모를 줄여 상온대비 저온 주행거리 비율을 증대시키는 것이 가능해진다.
한편, 도 8에 나타낸 바와 같이, 제어기(10)는 차량 주행 중 차속센서(4)에 의해 검출되는 차속이 설정차속(예, 80km/hr)을 초과하는 고속 주행 상태이면 AAF(11)를 닫아주며, 차속이 설정차속 이하인 중, 저속 주행 상태인 경우 AAF(11)의 이전 상태를 유지한다(AAF의 선행 지령 유지).
이어 제어기(10)는 통상의 로직에 따라 전력전자(PE) 부품의 냉각이 필요한지를 판단하는데, 만약 전력전자 부품(171-175)의 냉각이 필요한 경우 AAF(11)를 개방 상태로 제어하고, 이때 히트 펌프 시스템의 성능을 극대화하기 위해 통합 모드의 제어를 시작한다.
도 10은 통합 모드의 상태를 나타내고 있다. 도시된 바와 같이, 통합 모드에서는 고온 라디에이터(HTR)인 제1 라디에이터(113)를 이용하여 전력전자 부품(PE)의 냉각을 수행할 수 있도록 제1 바이패스 밸브(116) 및 냉각수 제어밸브(118)의 개도 상태를 제어한다. 즉, 제1 냉각수 라인(114)의 냉각수가 제1 라디에이터(113)와 전력전자 부품(171-175), 열교환기(158)를 통과할 수 있도록 제1 바이패스 밸브(116) 및 냉각수 제어밸브(118)의 개도 상태가 제어된다.
이때, 제1 바이패스 밸브(116)의 경우, 제1 라디에이터(113) 출구측 제2 냉각수 라인과 제1 리저버 탱크(111)측 유로를 연통시키고 제1 바이패스 라인(115)측은 차단하도록 제어된다. 또한, 냉각수 제어밸브(118)의 경우, 제2 전동식 워터펌프(122) 출구측 제2 냉각수 라인과 전력전자 부품(171-175)측 제2 냉각수 라인을 연통시키고 유량 증대용 바이패스 라인(117)측은 차단하도록 제어된다.
이에 제1 냉각 회로(110)의 제1 냉각수 라인(114)에서, 냉각수는 제1 리저버 탱크(111), 제1 전동식 워터펌프(112), 냉각수 제어밸브(118), 전력전자 부품(171-175), 열교환기(158), 제1 라디에이터(113), 제1 바이패스 밸브(116), 다시 제1 리저버 탱크(111)로 이어지는 경로를 따라 순환된다. 이때, 제2 냉각수 라인(127)을 포함하는 제2 냉각 회로(120)의 제어 상태 및 냉각수 순환 경로는 이전 상태, 즉 제1 내지 제4 모드의 상태로 유지될 수 있다.
또한, 전자전력(PE) 부품의 냉각이 필요없는 조건에서는 이전의 난방 모드가 변동 없이 그대로 유지되며(선행 지령 유지), 이후 사용자가 조작부(5)를 조작하여 난방 작동(히트 펌프 시스템의 작동)을 중지시킬 경우 도 8의 제어 로직은 종료된다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
1 : 차량 전단부 1a : 외기도입통로
2 : 외기도입구 3 : 외기온 센서
4 : 차속센서 5 : 조작부
6 : 제1 온도센서 7 : 제2 온도센서
10 : 제어기 11 : 액티브 에어 플랩(AAF)
110 : 제1 냉각 회로 111 : 제1 리저버 탱크
112 : 제1 전동식 워터펌프 113 : 제1 라디에이터
114 : 제1 냉각수 라인 115 : 제1 바이패스 라인
116 : 제1 바이패스 밸브 117 : 유량 증대용 바이패스 라인
118 : 냉각수 제어밸브
120 : 제2 냉각 회로 121 : 제2 리저버 탱크
122 : 제2 전동식 워터펌프 123 : 제3 전동식 워터펌프
124 : 제2 라디에이터 125 : 배터리 칠러
126 : 배터리 히터 127 : 제2 냉각수 라인
128 : 제2 바이패스 라인 128a : 제3 바이패스 라인
129 : 제2 바이패스 밸브 130 : 쿨링팬
140 : 에어컨 시스템 141 : 공조 케이스
142 : 전기 히터 143 : 개폐 도어
144 : 압축기 145 : 내부 응축기
146 : 외부 응축기 147 : 제1 팽창밸브
151 : 제2 팽창밸브 152 : 제3 팽창밸브
153 : 증발기 154 : 어큐뮬레이터
155 : 냉매 라인 156 : 입구측 분기 냉매 라인
157 : 출구측 분기 냉매 라인 158 : 열교환기
159 : 냉매 제어밸브
160 : 연결 라인 161 : 제습 라인
162 : 제습 밸브
171 : 전륜 인버터 172 : 후륜 인버터
173 : 충전기 및 저전압 DC-DC 컨버터
174 : 후륜 모터 175 : 전륜 모터
176 : 배터리

Claims (20)

  1. 전력전자 부품의 냉각을 위한 것으로서, 제1 라디에이터, 제1 라디에이터와 전력전자 부품 사이의 냉각수 순환을 위한 제1 냉각수 라인, 제1 냉각수 라인을 따라 냉각수를 순환시키는 제1 전동식 워터펌프를 포함하는 제1 냉각 회로;
    냉매를 압축하는 압축기, 압축기에 의해 압축된 냉매와 차량 실내로 공급되는 공기 사이의 열교환이 이루어지는 내부 응축기, 압축기와 내부 응축기 사이의 냉매 순환을 위한 냉매 라인, 및 상기 냉각수와 냉매 사이의 열교환이 이루어지는 열교환기를 포함하는 히트 펌프 시스템;
    상기 전력전자 부품 입구측과 출구측의 제1 냉각수 라인 사이를 연결하는 유량 증대용 바이패스 라인; 및
    상기 제1 냉각수 라인에서 유량 증대용 바이패스 라인이 분기된 위치에 설치되어, 냉각수가 전력전자 부품을 선택적으로 바이패스할 수 있도록 냉각수 유동방향을 제어하는 냉각수 제어밸브를 포함하는 차량의 열관리 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전력전자 부품은,
    전륜을 구동하는 전륜 모터, 후륜을 구동하는 후륜 모터, 상기 전륜 모터에 연결된 전륜 인버터, 상기 후륜 모터에 연결된 후륜 인버터, 배터리의 충전을 위한 충전기 및 저전압 DC-DC 컨버터(Low voltage DC-DC Conveter, LDC), 제어기 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 열관리 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 냉각 회로는,
    상기 제1 라디에이터 입구측과 출구측의 제1 냉각수 라인 사이를 연결하는 제1 바이패스 라인; 및
    상기 제1 냉각수 라인에서 제1 바이패스 라인이 분기된 위치에 설치되어, 냉각수가 제1 라디에이터를 선택적으로 바이패스할 수 있도록 냉각수 유동방향을 제어하는 제1 바이패스 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 열관리 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 냉각 회로는 제1 냉각수 라인에서 전력전자 부품을 통과한 냉각수의 온도를 검출하는 제1 온도센서를 더 포함하고,
    제어기가 상기 제1 온도센서에 의해 검출되는 냉각수 온도, 및 외기온 센서에 의해 검출되는 외기온도를 기초로 제1 냉각 회로의 냉각수 순환을 제어하는 것을 특징으로 하는 차량의 열관리 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 제1 온도센서에 의해 검출되는 냉각수 온도가 '외기온도 + α'보다 높은 경우,
    상기 제1 전동식 워터펌프가 구동되도록 함과 동시에, 제1 바이패스 라인을 개방하도록 제1 바이패스 밸브를 제어하여,
    상기 전력전자 부품을 냉각한 냉각수가 상기 열교환기를 통과하는 동안 내부 응축기를 통과한 냉매와의 열교환을 수행하도록 하고,
    상기 열교환기를 통과한 냉각수가 제1 라디에이터를 바이패스하여 순환되도록 하는 것을 특징으로 하는 차량의 열관리 시스템.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 열교환기와 제2 라디에이터 사이의 냉각수 순환을 위한 제2 냉각수 라인, 및 제2 냉각수 라인을 따라 냉각수를 순환시키는 제2 전동식 워터펌프를 포함하는 제2 냉각 회로를 더 포함하고,
    상기 열교환기는 제2 냉각수 라인의 냉각수가 통과하도록 구비되어, 상기 제2 라디에이터에서 외기의 열을 흡수한 냉각수와 내부 응축기를 통과한 냉매 사이의 열교환이 이루어지도록 된 것을 특징으로 하는 차량의 열관리 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제2 냉각 회로는 제2 냉각수 라인에서 열교환기 입구측의 냉각수 온도를 검출하는 제2 온도센서를 더 포함하고,
    제어기가 상기 제2 온도센서에 의해 검출되는 냉각수 온도, 및 외기온 센서에 의해 검출되는 외기온도를 기초로 제2 냉각 회로의 냉각수 순환을 제어하는 것을 특징으로 하는 차량의 열관리 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 제2 온도센서에 의해 검출되는 냉각수 온도가 '외기온도 - β' 이하인 경우, 제2 전동식 워터펌프가 구동되도록 하여 제2 냉각 회로에서 냉각수가 순환되도록 함으로써, 상기 제2 라디에이터에서 외기의 열을 흡수한 냉각수와 냉매 사이의 열교환이 이루어지도록 된 것을 특징으로 하는 차량의 열관리 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    차량 전단부의 외기도입구에 설치된 액티브 에어 플랩을 더 포함하고,
    상기 제어기는 액티브 에어 플랩을 개방하여 외기도입구를 통해 도입된 외기가 제2 라디에이터에서 냉각수와의 열교환이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 차량의 열관리 시스템.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 제1 온도센서에 의해 검출되는 냉각수 온도가 '외기온도 + α'보다 높고, 상기 제2 온도센서에 의해 검출되는 냉각수 온도가 '외기온도 - β' 이하인 경우,
    상기 제1 전동식 워터펌프가 구동되도록 함과 동시에, 제1 바이패스 라인을 개방하도록 제1 바이패스 밸브를 제어하여,
    상기 전력전자 부품을 냉각한 냉각수가 열교환기를 통과하는 동안 내부 응축기를 통과한 냉매와의 열교환을 수행하하도록 하고,
    상기 열교환기를 통과한 냉각수가 제1 라디에이터를 바이패스하여 순환되도록 하는 것을 특징으로 하는 차량의 열관리 시스템.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 제1 온도센서에 의해 검출되는 냉각수 온도가 '외기온도 + α' 이하이고, 상기 제2 온도센서에 의해 검출되는 냉각수 온도가 '외기온도 - β' 이하인 경우,
    상기 제1 전동식 워터펌프가 구동되도록 하고,
    상기 제1 냉각수 라인의 냉각수가 제1 라디에이터를 통과할 수 있도록 제1 바이패스 밸브를 제어하며,
    상기 유량 증대용 바이패스 라인을 개방하도록 냉각수 제어밸브를 제어하여, 상기 제1 라디에이터에서 외기의 열을 흡수한 후 전력전자 부품을 바이패스한 냉각수가, 열교환기를 통과하는 동안 내부 응축기를 통과한 냉매와의 열교환을 수행하도록 하는 것을 특징으로 하는 차량의 열관리 시스템.
  12. 청구항 7에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 제2 온도센서에 의해 검출되는 냉각수 온도가 '외기온도 - β'보다 높은 경우, 제2 전동식 워터펌프를 정지시켜 제2 냉각 회로에서 냉각수가 순환되지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 차량의 열관리 시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    차량 전단부의 외기도입구에 설치된 액티브 에어 플랩을 더 포함하고,
    상기 제어기는 액티브 에어 플랩을 닫아주어 외기도입구에서의 외기 유입을 차단하는 것을 특징으로 하는 차량의 열관리 시스템.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 제1 온도센서에 의해 검출되는 냉각수 온도가 '외기온도 + α'보다 높고, 상기 제2 온도센서에 의해 검출되는 냉각수 온도가 '외기온도 - β'보다 높은 경우,
    상기 제1 전동식 워터펌프가 구동되도록 함과 동시에, 상기 제1 바이패스 라인을 개방하도록 제1 바이패스 밸브를 제어하여,
    상기 전력전자 부품을 냉각한 냉각수가 열교환기를 통과하는 동안 내부 응축기를 통과한 냉매와의 열교환을 수행하도록 하고,
    상기 열교환기를 통과한 냉각수가 제1 라디에이터를 바이패스하여 순환되도록 하는 것을 특징으로 하는 차량의 열관리 시스템.
  15. 청구항 12에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 제1 온도센서에 의해 검출되는 냉각수 온도가 '외기온도 + α' 이하이고, 상기 제2 온도센서에 의해 검출되는 냉각수 온도가 '외기온도 - β' 보다 높은 경우,
    상기 제1 전동식 워터펌프와 제2 전동식 워터펌프를 모두 정지시켜 제1 냉각 회로 및 제2 냉각 회로에서 냉각수가 순환되지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 차량의 열관리 시스템.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 열교환기와 제2 라디에이터 사이의 냉각수 순환을 위한 제2 냉각수 라인, 및 제2 냉각수 라인을 따라 냉각수를 순환시키는 제2 전동식 워터펌프를 포함하는 제2 냉각 회로를 더 포함하고,
    상기 열교환기는 제2 냉각수 라인의 냉각수가 통과하도록 구비되어, 상기 제2 라디에이터에서 외기의 열을 흡수한 냉각수와 내부 응축기를 통과한 냉매 사이의 열교환이 이루어지도록 된 것을 특징으로 하는 차량의 열관리 시스템.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 제2 냉각 회로는 제2 냉각수 라인에서 열교환기 입구측의 냉각수 온도를 검출하는 제2 온도센서를 더 포함하고,
    제어기가 상기 제2 온도센서에 의해 검출되는 냉각수 온도, 및 외기온 센서에 의해 검출되는 외기온도를 기초로 제2 냉각 회로의 냉각수 순환을 제어하는 것을 특징으로 하는 차량의 열관리 시스템.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 제2 온도센서에 의해 검출되는 냉각수 온도가 '외기온도 - β' 이하인 경우, 제2 전동식 워터펌프가 구동되도록 하여 제2 냉각 회로에서 냉각수가 순환되도록 함으로써, 상기 제2 라디에이터에서 외기의 열을 흡수한 냉각수와 냉매 사이의 열교환이 이루어지도록 된 것을 특징으로 하는 차량의 열관리 시스템.
  19. 청구항 17에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 제2 온도센서에 의해 검출되는 냉각수 온도가 '외기온도 - β'보다 높은 경우, 제2 전동식 워터펌프를 정지시켜 제2 냉각 회로에서 냉각수가 순환되지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 차량의 열관리 시스템.
  20. 청구항 3에 있어서,
    차량 전단부의 외기도입구에 설치된 액티브 에어 플랩을 더 포함하고,
    제어기는,
    전력전자 부품의 냉각이 필요한 조건에서,
    상기 액티브 에어플랩을 개방하고,
    상기 제1 전동식 워터펌프가 구동되도록 하며,
    상기 전력전자 부품의 냉각을 위해 냉각수가 전력전자 부품을 통과할 수 있도록 상기 냉각수 제어밸브를 제어하고,
    상기 전력전자 부품을 냉각한 냉각수가 제1 라디에이터를 통과할 수 있도록 상기 제1 바이패스 밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 차량의 열관리 시스템.

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