KR20230174811A - 전기자동차용 열관리 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전기자동차용 열관리 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예로서, 전기자동차용 열관리 시스템은 충전소에 위치하여 설정된 냉각수 온도를 포함하는 냉각수 순환라인, 상기 냉각수 순환라인과 차량의 냉각 시스템을 연결하기 위한 커넥터 및 차량의 배터리를 급속 충전하는 경우, 상기 충전소의 상기 냉각수 순환라인이 차량에 위치하는 냉각 시스템과 체결되어 상기 커넥터를 통해 상기 충전소의 냉각수가 상기 냉각 시스템으로 유입되도록 제어되고, 상기 커넥터를 통해 상기 차량의 충전 중 상기 배터리의 냉각 또는 승온 조건에 따라 미리 설정된 고온 또는 저온의 냉각수를 상기 차량에 공급하도록 구성되는 제어부를 포함한다.
Description
본 발명은 전기자동차용 열관리 시스템에 관한 것으로, 더 바람직하게, 충전소에 구비되는 커넥터를 통해 충전소 내에 냉각 또는 승온된 냉각수가 차량으로 유입되도록 구성되는 전기자동차용 열관리 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 자동차에는 실내를 난방하거나 냉방하는 공기조화장치가 탑재된다. 자동차에서 공기조화장치는 외부온도의 변화에 관계없이 차량 실내 온도를 항상 적정 온도로 유지해줌으로써 쾌적한 실내 환경을 제공한다.
자동차용 공기조화장치는 냉매를 순환시키는 에어컨 시스템을 포함한다. 에어컨 시스템은 냉매를 압축하는 압축기, 압축기에서 압축된 냉매를 응축하여 액화시키는 응축기, 응축기에서 응축되어 액화된 냉매를 팽창시키는 팽창밸브, 그리고 팽창밸브에서 팽창된 냉매를 증발시키면서 냉매의 증발 잠열을 이용하여 차량 실내로 송풍되는 공기를 냉각하는 증발기 등을 주요한 구성요소로 포함한다.
에어컨 시스템에서는 여름철 냉방 모드 시 압축기에 의해 압축된 고온, 고압의 기상 냉매를 응축기를 통해 응축한 뒤 팽창밸브와 증발기를 거쳐 다시 압축기로 순환시키는데, 증발기에서 냉매와의 열교환에 의해 냉각된 공기를 자동차 실내로 토출함으로써 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 자동차는 모두 배터리에 충전된 전력으로 모터를 구동하여 주행하는 모터 구동 차량(전동화 차량)이라는 공통점을 가진다.
또한, 전기자동차에는 차량 전반의 열관리를 수행하기 위한 열관리 시스템이 탑재된다. 열관리 시스템은 공기조화장치의 에어컨 시스템, 그리고 전력계통의 열관리와 냉각을 위해 냉각수나 냉매를 이용하는 냉각 시스템. 그리고 히트 펌프 시스템을 포함하는 넓은 의미의 시스템으로 정의할 수 있다. 여기서, 냉각 시스템은 전력계통을 순환하는 냉각수를 냉각하거나 가열하여 전력계통의 열을 관리할 수 있는 구성들을 포함한다. 또한, 히트 펌프 시스템은 전기 히터(PTC 히터)에 더하여 보조 난방 장치로 이용되는 것으로, 전력전자(Power Electronic, PE)부품이나 배터리 등의 폐열을 회수하여 난방에 이용하도록 구성된 시스템이다.
공지의 냉각 시스템은, 냉각수가 저장되는 리저버 탱크, 냉각수를 순환시키기 위해 압송하는 전동식 워터펌프, 냉각수의 방열을 위한 라디에이터 및 쿨링팬, 냉각수의 냉각을 위한 칠러(chiller), 냉각수의 가열을 위한 냉각수 히터, 냉각수의 압송을 위한 전동식 워터펌프, 냉각수의 유동을 제어하기 위한 밸브들, 그리고 이들 부품 사이를 연결하는 냉각수 라인을 포함하여 구성되는 냉각 회로, 상기 냉각 회로의 냉각수 온도 및 냉각수 유동 제어를 수행하는 제어기로 구성된다.
전기자동차의 냉각 시스템은 차량 구동을 위한 전력전자 부품, 및 이 전력전자 부품에 작동 전력을 공급하는 배터리의 냉각수 유로를 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(3-way) 밸브의 작동을 제어하여 냉각수의 유동 방향을 제어할 수 있다.
최근 전기자동차에서는, 차량의 항속거리를 증가시키고 전비를 향상시키기 위해, 차량 전단부에 2개의 라디에이터를 배치하고 각 라디에이터를 순환하는 병렬의 냉각수 라인을 구성하여, 전력전자 부품과 배터리를 분리하여 냉각하는 냉각 시스템이 개발되고 있다.
그러나 전기차량의 충전을 수행함에 있어서, 외기 온도에 따라 배터리의 충전효율이 낮아지고, 더욱이, 차량에 위치하는 열관리 시스템을 이용하여 배터리의 냉각 또는 승온을 수행하는 경우, 효율적인 충전이 불가능한 문제점이 존재하였다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명은 충전소에 위치하는 냉각수 순환라인을 이용하여 충전되는 차량에 배터리의 충전 효율온도를 설정할 수 있는 열관리 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 배터리 승온을 위해 차량으로 제공되는 냉각수 순환라인의 온도를 이용하여 충전이 완료된 차량의 냉방 및 난방 효율을 증대하기 위한 열관리 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알 수 있다. 또한 본 발명의 목적들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 전기자동차용 열관리 시스템은 다음과 같은 구성을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 열관리 시스템은 충전소에 위치하여 설정된 냉각수 온도를 포함하는 냉각수 순환라인; 상기 냉각수 순환라인과 차량의 냉각 시스템을 연결하기 위한 커넥터; 및 차량의 배터리를 급속 충전하는 경우, 상기 충전소의 상기 냉각수 순환라인이 차량에 위치하는 냉각 시스템과 체결되어 상기 커넥터를 통해 상기 충전소의 냉각수가 상기 냉각 시스템으로 유입되도록 제어되고, 상기 커넥터를 통해 상기 차량의 충전 중 상기 배터리의 냉각 또는 승온 조건에 따라 미리 설정된 고온 또는 저온의 냉각수를 상기 차량에 공급하도록 구성되는 제어부;를 포함하는 전기자동차용 열관리 시스템을 제공한다.
또한, 상기 냉각 시스템은, 전력전자 부품의 냉각을 수행하는 제1 냉각 회로; 상기 배터리로 유입되는 냉각수를 유동하는 제2 냉각 회로; 및 냉매가 순환하는 에어컨 시스템;을 포함하는 전기자동차용 열관리 시스템을 제공한다.
또한, 상기 에어컨 시스템에 위치하고, 상기 제1 냉각 회로의 냉각수, 제2 냉각 회로의 냉각수 및 상기 에어컨 시스템의 냉매 사이의 열교환을 수행하도록 구성되는 칠러;를 포함하는 전기자동차용 열관리 시스템을 제공한다.
또한, 상기 제어부는 상기 차량의 배터리 충전시 상기 냉각수 순환라인을 통해 상기 배터리를 냉각한 이후 차량 주행시, 상기 냉매로부터 상기 제2 냉각 회로로 열전달을 수행하도록 구성되는 전기자동차용 열관리 시스템을 제공한다.
또한, 상기 제어부는 상기 차량의 배터리 충전시 상기 냉각수 순환라인을 통해 상기 배터리를 승온한 이후 차량 주행시, 상기 제2 냉각 회로로부터 상기 냉매로 열전달을 수행하도록 구성되는 전기자동차용 열관리 시스템을 제공한다.
또한, 상기 제1 냉각 회로에 위치하는 상기 전력전자 부품은 전륜 모터, 후륜 모터, 전륜 인버터, 후륜 인버터, 차량 내 충전장치(On-Board Charger, OBC) 및 저전압 DC-DC 컨버터(Low voltage DC-DC Converter, LDC) 중 적어도 하나 이상인 전기자동차용 열관리 시스템을 제공한다.
또한, 상기 제어부는 상기 차량의 배터리 온도를 수신하고, 수신된 배터리 온도에 대응하여 상기 냉각수 순환라인에 위치하는 냉각수의 온도를 설정하도록 구성되는 전기자동차용 열관리 시스템을 제공한다.
또한, 상기 제어부는 상기 차량 외기 온도를 수신하고, 수신된 차량 외부 온도가 제 1설정 온도보다 큰 경우, 상기 냉각수 순환라인의 냉각수의 온도를 과냉시켜 상기 차량으로 주입하도록 구성되는 전기자동차용 열관리 시스템을 제공한다.
또한, 상기 제어부는 상기 차량 외기 온도를 수신하고, 수신된 차량 외부 온도가 제 2설정 온도보다 작은 경우, 상기 냉각수 순환라인의 냉각수의 온도를 과열시켜 상기 차량으로 주입하도록 구성되는 전기자동차용 열관리 시스템을 제공한다.
또한, 상기 냉각수 순환라인에는 과냉각된 냉각수가 저수되는 저온 탱크; 및 과열된 냉각수가 저수되는 고온 탱크;를 포함하고, 상기 제어부는 상기 외기 온도에 따라 냉각수 온도를 설정하도록 구성되는 전기자동차용 열관리 시스템을 제공한다.
본 발명은 앞서 본 실시예와 하기에 설명할 구성과 결합, 사용관계에 의해 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
본 발명은 배터리 충전시 충전소에 위치하는 냉각수 순환라인을 통해 차량으로 설정된 온도의 냉각수가 유입되도록 구성되는바, 높은 충전효율을 제공할 수 있다.
더욱이, 충전소에 위치하는 냉각수의 온도를 이용하여 냉난방을 수행할 수 있는바, 차량의 열관리 시스템의 용량 증가를 억제하여, 차량의 원가 상승을 방지할 수 있는 경제적인 효과를 제공한다.
또한, 본 발명은 통합 칠러를 이용하여 전장부품의 폐열을 이용하여 열관리 시스템을 구동할 수 있는바, 열효율의 증대 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예로서, 전기자동차용 열관리 시스템의 구성을 도시하고 있다.
도 2는 종래 기술로서, 충전소로부터 냉각수를 충진하지 않는 독립적인 열관리 시스템의 배터리 냉각모드를 도시하고 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예로서, 과냉각 시킨 배터리를 이용하여 냉방성능 향상 및 에어컨 효율의 증대를 수행하는 열관리 시스템의 흐름을 도시하고 있다.
도 4는 종래 기술로서, 배터리 승온 조건에 따른 열관리 시스템의 배터리 승온모드를 도시하고 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예로서, 충전소로부터 냉각수를 충진하여 배터리 승온을 수행하는 열관리 시스템을 도시하고 있다.
도 6은 종래 기술로서, 배터리 승온을 수행한 이후 주행에 따른 난방모드에 따른 열관리 시스템을 도시하고 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예로서, 충전소로부터 냉각수를 통해 배터리 승온을 수행한 이후 주행시 난방모드에 따른 열관리 시스템의 흐름도를 도시하고 있다.
도 2는 종래 기술로서, 충전소로부터 냉각수를 충진하지 않는 독립적인 열관리 시스템의 배터리 냉각모드를 도시하고 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예로서, 과냉각 시킨 배터리를 이용하여 냉방성능 향상 및 에어컨 효율의 증대를 수행하는 열관리 시스템의 흐름을 도시하고 있다.
도 4는 종래 기술로서, 배터리 승온 조건에 따른 열관리 시스템의 배터리 승온모드를 도시하고 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예로서, 충전소로부터 냉각수를 충진하여 배터리 승온을 수행하는 열관리 시스템을 도시하고 있다.
도 6은 종래 기술로서, 배터리 승온을 수행한 이후 주행에 따른 난방모드에 따른 열관리 시스템을 도시하고 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예로서, 충전소로부터 냉각수를 통해 배터리 승온을 수행한 이후 주행시 난방모드에 따른 열관리 시스템의 흐름도를 도시하고 있다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시 예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
또한, 명세서에 기재된 "...부", "...유닛", "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
또한, 본 명세서에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성의 명칭이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 명세서의 도면에서는 냉각수 또는 냉매의 유동을 표시하는 형식으로 점선 또는 굵은 선을 포함하도록 개시되어 있다.
이하, 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대해 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 전기자동차용 열관리 시스템을 도시한 구성도로서, 열관리를 수행하는 부품들, 그리고 냉각수와 냉매가 흐르는 냉각수 라인(114,127)과 냉매 라인(155)을 포함하는 냉각 회로가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이, 전기자동차의 열관리 시스템은, 공기조화장치의 에어컨 시스템(140)과 함께, 차량 구동력을 제공하는 전력전자 부품(Power Electronic, PE)의 열관리와 냉각을 수행하는 수냉식 냉각 시스템을 포함한다. 여기서, 냉각 시스템은 전력전자 부품을 순환하는 냉각수를 냉각하거나 가열하여 전력계통의 열을 관리할 수 있도록 구성된다. 더 바람직하게, 본 발명의 차량 냉각 시스템은 에어컨 시스템(140), 제1 냉각 회로(110) 및 제2 냉각 회로(120)를 포함하여 구성될 수 있다.
제1 냉각 회로(110) 및 제2 냉각 회로(120)를 포함하는 냉각 시스템은, 냉각수가 저장되는 리저버 탱크(111,121), 냉각수 순환을 위해 냉각수를 압송하는 전동식 워터 펌프(112,122), 냉각수의 방열을 위한 라디에이터(113,123) 및 쿨링팬(130), 냉각수의 냉각을 위한 칠러(125), 냉각수의 가열을 위한 냉각수 히터(126), 냉각수의 유동을 제어하기 위한 밸브(116)들, 그리고 이들 부품 사이를 연결하는 냉각수 라인(114,127)을 포함하여 구성되는 냉각 회로(110,120)와, 상기 냉각 회로(110,120)의 냉각수 온도 및 냉각수 유동 제어를 수행하는 제어기(미도시)를 포함한다. 여기서, 제어기는 전동식 워터펌프(112,122), 냉각수 히터(126), 후술하는 내부 히터(142), 압축기(144), 쿨링팬(130), 개폐 도어 등의 작동을 제어하고, 더불어 열관리 시스템의 밸브(116,147,151,162)들을 제어한다. 예컨대, 제어기는 3-웨이(3-way) 밸브인 제3 밸브로 구성되는 밸브의 작동을 제어하여 냉각수의 유동 방향을 제어할 수 있다. 더 바람직하게, 제어기는 충전소(200)와 체결되는 차량의 접촉여부를 판단할 수 있으며, 충전소(200)의 냉각수 순환라인(300)을 통해 냉각수가 차량으로 유동되는 유량을 제어할 수 있다.
상기 냉각 시스템은 차량 구동을 위한 전력전자 부품(170), 및 이 전력전자 부품(170)에 작동 전력을 공급하는 배터리(176)의 냉각수 유로를 따라 냉각수를 통과시켜 전력전자 부품(170)과 배터리(176)의 온도를 각각 또는 동시에 제어한다. 또한, 냉각 시스템은 필요에 따라 전력전자 부품(170)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 전단부에 2개의 라디에이터(113,123)를 배치하고, 각 라디에이터를 순환하는 병렬의 냉각수 라인(114,127)을 구성하여, 전력전자 부품(PE)(170)과 배터리(176)를 분리하여 냉각할 수 있도록 한 병렬형 분리 냉각 시스템이다.
여기서, 냉각 대상이 되는 전력전자 부품(170)은, 차량을 구동하기 위한 구동원인 전륜 모터, 후륜 모터, 전륜 모터와 후륜 모터를 각각 구동하고 제어하기 위한 전륜 인버터와 후륜 인버터, 배터리(176)를 충전하기 위한 차량 내 충전장치(On-Board Charger, OBC) 및 저전압 DC-DC 컨버터(Low voltage DC-DC Converter, LDC)를 포함할 수 있다.
도 1을 참조하면, 두 개의 라디에이터, 즉 제1 라디에이터(113)와 제2 라디에이터(123)에 개별적으로 냉각수 라인(114,127)이 연결됨을 볼 수 있다. 제1 라디에이터(113)와 제2 라디에이터(123)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 라디에이터이다. 상기 제2 라디에이터(123)는 제1 라디에이터(113)에 비해 상대적으로 저온의 냉각수를 통과시켜 방열 및 냉각하는 저온 라디에이터이다. 이때, 저온 라디에이터인 제2 라디에이터(123)가 고온 라디에이터인 제1 라디에이터(113)의 전방에 배치될 수 있다.
상기 제1 라디에이터(113)와 제1 리저버 탱크(111), 전륜 인버터와 후륜 인버터, 차량 내 충전장치(OBC) 및 저전압 DC-DC 컨버터(LDC), 후륜 모터 및 전륜 모터 등의 전력전자 부품(170) 사이에는 냉각수가 순환될 수 있도록 제1 냉각수 라인(114)이 연결된다. 또한, 제1 냉각수 라인(114)에는 냉각수 순환을 위해 냉각수를 압송하는 제1 전동식 워터펌프(112)가 설치되고, 전력전자 부품(170)후단과 전력전자 부품(170)의 전단을 연결하는 제1 바이패스 라인(115), 및 제1 라디에이터(113)로 냉각수를 선택적으로 흐르게 하기 위한 전력전자 부품(170)의 후단에 위치하는 밸브(116)가 설치된다. 여기서, 밸브(116)는 유량 분배가 가능한 3-웨이(3-way) 밸브일 수 있다. 이로써, 제1 냉각수 라인(114)을 통해 냉각수를 순환시켜 전력전자 부품(170)들을 냉각하는 제1 냉각 회로(110)가 구성된다. 상기 제1 냉각 회로(110)에 의해 냉각되는 전력전자 부품은 차량 구동하는 모터, 상기 모터를 구동하기 위한 인버터, 배터리 충전을 위한 차량 내 충전장치(OBC) 및 저전압 DC-DC 컨버터 중 적어도 하나를 포함하는 것이 될 수 있다.
제1 냉각 회로(110)에서는 제1 전동식 워터펌프(112)에 의해 압송된 냉각수가 제1 냉각수 라인(114)을 따라 순환하면서 전륜 인버터, 후륜 인버터, 충전장치(OBC) 및 저전압 DC-DC 컨버터(LDC), 후륜 모터, 전륜 모터 등의 전력전자 부품들을 차례로 통과한다. 냉각수가 전력전자 부품(170)들을 통과하는 동안 각 전력전자 부품(170)을 차례로 냉각하며, 전력전자 부품(170)들을 냉각한 고온의 냉각수는 제1 라디에이터(113)를 통과하는 동안 외부 공기와의 열교환 및 방열을 통해 냉각된다.
한편, 제2 라디에이터(123)와 제2 리저버 탱크(121), 배터리(176), 냉각수 히터(126), 칠러(125) 사이에 냉각수가 순환되도록 제2 냉각수 라인(127)이 연결된다. 여기서, 배터리(176)는 전륜 모터와 후륜 모터 등 전력전자 부품들에 작동 전력을 공급한다. 이를 위해, 도면에 전기 배선에 대해서는 도시를 생략하였으나, 배터리(176)가 전력전자 부품(170)들에 전기 배선을 통해 연결된다. 예를 들면, 배터리(176)는 전륜 인버터와 후륜 인버터를 통해 각각 전륜 모터와 후륜 모터에 충방전 가능하게 연결된다. 또한, 배터리(176)는 차량 내 충전장치(OBC) 및 저전압 DC-DC 컨버터에 전기 배선을 통해 연결된다.
또한, 제2 냉각수 라인(127)에는 냉각수 순환을 위해 냉각수를 압송하는 전동식 워터펌프(122)가 설치되고, 제2 라디에이터(123) 전단 및 후단의 냉각수 라인 사이를 연결하고 칠러(125)를 통해 열교환이 가능하도록 구성되는 제2 바이패스 라인(128)을 포함한다. 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 제2 전동식 워터펌프(122)가 제2 냉각수 라인(127)에 설치될 수 있다.
이러한 제2 냉각 회로(120)에서는 전동식 워터펌프(122)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(123)를 통과하는 동안 공기와의 열교환 및 방열을 통해 냉각된다.
이와 같이 배터리(176)를 냉각한 냉각수의 온도는 전력전자 부품(170)을 냉각한 냉각수의 온도에 비해서는 상대적으로 저온이다. 따라서, 상대적으로 저온의 냉각수 방열이 이루어지는 제2 라디에이터(123)는 저온 라디에이터라 할 수 있고, 상대적으로 고온의 냉각수 방열이 이루어지는 제1 라디에이터(113)는 고온 라디에이터라 할 수 있다.
도 1에서 냉각수 히터(126)로서, 이는 배터리(176)의 배출단에 위치하여 제2 냉각수 라인(127)에 설치된다. 냉각수 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 유로로 유입될 수 있도록 한다. 냉각수 히터(126)는 전력을 공급받아 작동하는 전기식 히터일 수 있다.
또한, 본 발명의 열관리 시스템은 에어컨 시스템(140)을 포함할 수 있다. 에어컨 시스템(140)은, 냉매를 압축하는 압축기(144), 압축기(144)에서 압축된 냉매를 응축하여 액화시키는 외부 응축기(146), 외부 응축기(146)에서 응축되어 액화된 냉매를 급속히 팽창시키는 제1 팽창밸브(147), 그리고 제1 팽창밸브(147)에서 팽창된 냉매를 증발시키면서 냉매의 증발 잠열을 이용하여 자동차 실내로 송풍되는 공기를 냉각하는 증발기(153) 등을 주요한 구성요소로 포함한다.
여기서, 외부 응축기(146)는 차량 전단부에 배치되어 외기가 통과하도록 구비된다. 이때, 공조 케이스의 내부에서 증발기(153)의 후방으로 내부 응축기(145)가 배치되고, 이에 미도시된 공조 블로어에 의해 송풍되는 공기가 증발기(153)와 내부 응축기(145)를 차례로 통과한 뒤 차량 실내로 토출될 수 있도록 되어 있다. 선택적으로 작동하는 내부 히터(PTC 히터)(142)를 나타내고, 내부 히터(142)는 실내 난방을 위한 것이다.
이로써, 난방 모드에서는 내부 히터(142)를 작동시켜 공조 블로어에 의해 송풍되는 공기가 내부 히터에 의해 가열된 뒤 차량 실내로 토출되도록 하고, 이에 차량 실내 난방이 이루어질 수 있다. 반면, 냉방 모드에서는 압축기(144)를 작동시켜 냉매를 순환시킴으로써 공조 블로어에 의해 송풍되는 공기가 증발기(153)에 의해 냉각(냉매와의 열교환)된 뒤 차량 실내로 토출되도록 하고, 이에 차량 실내 냉방이 이루어질 수 있다. 또는 난방 모드에서 제2 냉각 회로(120)와 열교환을 수행한 냉매를 기반으로 차량 실내로 공기가 토출되도록 구성될 수 있다.
또한, 공조 케이스 내에서 증발기(153)와 내부 응축기(145) 사이에는 개폐 도어가 배치되고, 이 개폐 도어는 내부 응축기(145)를 통과하는 통로를 선택적으로 개폐한다. 개폐 도어의 작동에 있어서, 차량의 난방 모드에서는 증발기(153)를 통과한 공기가 내부 응축기(145)와 내부 히터(142)를 통과하도록 개방되고, 차량의 냉방 모드에서는 증발기(153)를 통과하면서 냉각된 공기가 내부 응축기(145)와 내부 히터(142)를 거치지 않고 바로 차량 실내로 토출되도록 내부 응축기(145)와 내부 히터(142) 측을 폐쇄한다.
에어컨 시스템(140)에서, 압축기(144), 외부 응축기(146), 제1 팽창밸브(147), 증발기(153) 사이에는 냉매가 순환되도록 냉매 라인(155)이 연결되며, 외부 응축기(146)는 차량 전단부에서 제1 라디에이터(113) 및 제2 라디에이터(123)의 전방에 배치될 수 있다. 또한, 압축기(144)와 증발기(153) 사이의 냉매 라인(155)에는 어큐뮬레이터(accumulator)(154)가 설치될 수 있다.
또한, 내부 응축기(145)가 냉매 라인(155)을 통해 외부 응축기(146)에 연결될 수 있고, 내부 응축기(145)는 압축기(144)와 외부 응축기(146) 사이의 냉매 라인(155)에 배치될 수 있다. 더욱이, 외부 응축기(146) 전단에는 상기 외부 응축기(146)가 바이패스 되도록 별도의 유로를 포함하여 구성될 수 있다. 내부 응축기(145)는 공조 케이스의 내부에서 증발기(153)의 후방 및 내부 히터(142)의 전방으로 배치될 수 있는데, 도 1을 참조하면 증발기(153)와 내부 히터(142) 사이에 내부 응축기(145)가 배치됨을 볼 수 있다.
결국, 에어컨 시스템(140)에서는 냉매가 압축기(144), 내부 응축기(145), 외부 응축기(146), 제1 팽창밸브(147), 증발기(153), 어큐뮬레이터(154), 그리고 다시 압축기(144)의 경로로 순환하게 된다. 압축기(144)는 내부 응축기(145)와 증발기(153) 사이의 냉매 라인(155)에 설치되어 기체 상태의 냉매를 고온, 고압으로 압축한다. 어큐뮬레이터(154)는 압축기(144)와 증발기(153) 사이의 냉매 라인(155)에 설치되어 압축기(144)에 기체 상태의 냉매만이 공급되도록 함으로써 압축기(144)의 효율 및 내구성을 향상시킨다.
외부 응축기(146)는 내부 응축기(145)와 냉매 라인(155)을 통해 연결되고, 압축기(144)로부터 압축된 냉매를 내부 응축기(145)를 통해 공급받아 쿨링팬(130)에 의해 흡입된 외기와 상호 열교환시켜 응축한다. 제1 팽창밸브(147)는 외부 응축기(146)에 의해 응축된 냉매를 공급받아 팽창시키며, 제1 팽창밸브(147)를 통과한 저온, 저압의 냉매는 증발기(153)로 공급된다. 이에 증발기(153)에서 제1 팽창밸브(147)에 의해 팽창된 냉매와 공조 블로어에 의해 송풍되는 공기 간 열교환이 이루어지며, 열교환을 통해 냉각된 공기가 차량 실내로 토출되어 실내 냉방이 이루어지게 된다. 제1 팽창밸브(147)는 솔레노이드 밸브 일체형 팽창밸브가 될 수 있다.
한편, 비교예의 열관리 시스템은 배터리(176)의 냉각을 위해 제2 냉각수 라인(127)을 따라 순환하는 냉각수 및 제1 냉각수 라인(114)를 따라 순환하는 냉각수가 동시에 또는 선택적으로 에어컨 시스템(140)의 냉매와의 열교환을 수행하는 칠러(chiller)(125)를 포함한다. 상기 칠러(125)는 제2 냉각수 라인(127)과 냉매 라인(155) 및 제1 바이패스 라인(115)에 설치될 수 있다. 보다 구체적으로는, 칠러(125)는 에어컨 시스템(140)의 냉매 라인(155)에 설치될 수 있다. 더욱이, 칠러(125)는 제1 바이패스 라인(115) 및 배터리(176)를 냉각하기 위한 제2 냉각수 라인(127)이 통과되도록 설치되는바, 냉매가 전력전자 부품(170)을 냉각하기 위한 냉각수 및 배터리(176) 온도 제어를 위한 냉각수와 각각 또는 동시에 열교환이 가능하도록 구성된다.
여기서, 칠러(125)가 설치되는 분기 냉매 라인은 외부 응축기(146)와 제1 팽창밸브(147) 사이의 냉매 라인(155)으로부터 분기되어 증발기(153)와 어큐뮬레이터(154)고 각각 연결되는 분기 라인일 수 있다. 이때, 칠러(125)의 냉매 입구는 외부 응축기(146)와 제1 팽창밸브(147) 사이의 냉매 라인(155)으로 연결된다. 또한, 칠러(125)의 냉매 출구는 출구측 분기 냉매 라인을 통해 증발기(153)와 어큐뮬레이터(154)로 연결된다. 상기 칠러(125)의 입구측 분기 냉매 라인은 외부 응축기(146)와 제1 팽창밸브(147) 사이의 냉매 라인(155)으로부터 분기되어 칠러(125)의 냉매 입구로 연결되는 분기 냉매 라인(156)이고, 출구측 분기 냉매 라인은 증발기(153)와 어큐뮬레이터(154)로부터 분기되어 칠러(125)의 냉매 출구로 연결되는 분기 냉매 라인이다.
제3 팽창밸브(152)는 칠러(125)의 냉매 입구나 입구측 분기 냉매 라인(156)에 설치될 수 있고, 냉방 모드 시 냉매 라인(155)으로부터 분기된 입구측 분기 냉매 라인(156)을 통해 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 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 칠러(125)로 유입되면, 이어 냉매는 칠러(125)의 내부를 통과한 뒤 출구측 분기 냉매 라인을 통해 다시 냉매 라인(155)으로 배출된다.
전술한 바와 같이, 칠러(125)는 제2 냉각수 라인(127), 제1 바이패스 라인(115) 및 냉매 라인(155)간의 열교환이 가능하도록 분기된 분기 냉매 라인(156)에 설치된다. 결국, 칠러(125)의 내부를 통과하는 냉각수와 냉매 사이에 열교환이 이루어질 수 있고, 칠러(125)에서 냉매와의 열교환에 의해 냉각되거나 승온된 냉각수가 냉각 회로(110, 120)를 따라 순환될 수 있으며, 제2 냉각 회로(120)의 냉각된 냉각수에 의해 배터리(176)가 냉각될 수 있다.
더욱이, 열관리 시스템은 제2 냉각수 라인(127)에 설치되어 냉각수와 냉매 사이의 열교환이 이루어지는 열교환기(미도시), 즉 상기 칠러(125)와 별도로, 상기 제1 냉각수 라인(114) 및 제2 냉각수 라인(127)과 냉매 라인(155) 사이에 설치되어 냉각수와 냉매 사이의 열교환이 이루어지는 열교환기(미도시)를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 냉각수 라인(114)에서 열교환기가 설치되는 위치는 전력전자 부품(170)들을 통과한 냉각수가 제1 라디에이터(113)로 흐르는 냉각수 라인, 즉 전력전자 부품(170)들로부터 제1 라디에이터(113)의 입구로 연결되는 라디에이터 전단의 냉각수 라인이 될 수 있다. 또한, 제2 냉각수 라인(127)에서 열교환기가 설치되는 위치는 칠러(125)를 통과한 냉각수가 제2 라디에이터(123)로 흐르는 냉각수 라인, 즉 칠러(125)로부터 제2 라디에이터(123)의 입구로 연결되는 라디에이터 전단의 냉각수 라인이 될 수 있다.
또한, 냉매 라인(155)에 열교환기가 설치되는 위치는 내부 응축기(145)와 외부 응축기(146) 사이의 냉매 라인이 될 수 있다. 이때, 열교환기의 입구가 냉매 라인(155)을 통해 내부 응축기(145)에 연결되고, 열교환기의 출구가 냉매 라인(155)을 통해 외부 응축기(146)에 연결될 수 있다.
또한, 열교환기의 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 열교환기의 입구와 제2 팽창밸브(151) 사이의 냉매 라인이 될 수 있다. 이에 제습 라인(161)은 열교환기의 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.
또한, 본 발명은 충전소(200)로부터 냉각수를 공급 받을 수 있도록 충전소(200)에서 제공되는 냉각수 순환라인(300)을 포함한다. 냉각수 순환라인(300)은 차량과 충전소(200)를 체결하기 위한 커넥터(210)에 의해 제2 냉각수 라인(127)과 유동될 수 있다. 더 바람직하게, 커넥터 유입구(211)는 전동식 워터 펌프(122)의 후단과 배터리(176) 사이에 위치하고, 커넥터 배출구(212)는 냉각수 히터(126)와 제2 라디에이터(123) 사이에 위치되도록 구성된다. 따라서, 커넥터 유입구(211)를 통해 충전소(200)로부터 유입되는 냉각수는 배터리(176)의 충전 효율온도에 대응되는 온도로 상기 배터리(176)와 열교환을 수행하고, 냉각수 히터(126)을 통과한 이후 커넥터 배출구(212)를 통해 충전소(200)로 순환되도록 구성된다.
냉각수 순환라인(300)에 위치하는 냉각수는 충전소(200)에 위치하는 외기센서(미도시)를 기반으로 배터리(176)의 충전 효율온도와 대응되도록 일정하게 유지될 수 있다. 더 바람직하게, 차량의 온도센서(미도시)를 통해 차량의 배터리(176) 온도를 측정하고, 측정된 배터리(176) 온도를 충전소(200) 제어부가 수신하며, 개별 차량에 대응한 냉각수 온도를 설정하여 냉각수 순환라인(300)의 냉각수 온도를 설정하도록 구성될 수 있다. 더 바람직하게, 차량의 배터리(176)의 충전 효율온도범위로서, 15도 내지 40도의 배터리(176) 온도를 갖도록 냉각수를 유동하여 상기 배터리(176)의 충전을 수행할 수 있도록 구성된다.
따라서, 외기 온도가 제 1설정 온도 보다 큰 것으로 판단되는 경우, 제어부는 배터리(176)의 냉각을 수행하기 위해 냉각수 순환라인(300)에 위치하는 냉각수의 온도가 20도 이하가 되도록 과냉각을 수행하고, 차량이 커넥터(210)를 통해 배터리(176)가 냉각수 순환라인(300)과 체결되어 상기 배터리(176) 온도가 충전 최적의 온도가 되도록 제2 냉각 회로(120)를 순환한다. 더 바람직하게, 충전 최적 온도로서 냉각수의 온도 범위는 0도 내지 50도를 갖도록 설정될 수 있다. 더욱이, 제2 냉각 회로(120)를 유동하는 냉각수는 칠러(125)를 통해 냉매를 냉각하도록 구성되는바, 에어컨 시스템(140)을 유동하는 냉매의 냉각하여 냉방 모드를 수행할 수 있다. 즉, 냉각수 순환라인(300)의 과냉각된 냉각수가 칠러(125)를 통해 냉매를 냉각하고, 냉매를 이용한 에어컨 시스템(140)은 냉매의 추가적인 냉각 없이도 차량의 냉방을 수행할 수 있도록 구성된다.
더욱이, 외기 온도가 제 2설정 온도보다 작은 것으로 판단되는 경우, 제어부는 배터리(176)의 승온을 수행하기 위해 냉각수 순환라인(300)에 위치하는 냉각수의 온도를 30도 이상이 되도록 과열하고, 차량이 커넥터(210)를 통해 배터리(176)가 냉각수 순환라인(300)과 체결되어 배터리(176) 온도가 30도 이상이 되도록 설정된 온도의 냉각수가 제2 냉각 회로(120)로 유입되도록 구성된다. 더욱이, 제2 냉각 회로(120)를 유동하는 냉각수는 칠러(125)를 통해 냉매를 승온하도록 구성되는바, 에어컨 시스템(140)을 유동하는 냉매를 승온하여 난방 모드를 수행할 수 있도록 구성된다. 즉, 냉각수 순환라인(300)의 과열된 냉각수가 칠러(125)를 통해 냉매를 승온하고, 냉매를 이용한 에어컨 시스템(140)은 냉매의 추가적인 가열 없이도 차량의 난방을 수행할 수 있도록 구성된다.
이처럼, 커넥터(210)를 통해 냉각수 순환라인(300)이 차량과 유체연결되고, 충전수(200)에 저수된 소정의 온도를 갖는 냉각수가 제2 냉각 회로(120)로 유입되어 배터리(176)의 냉각 또는 승온을 수행하고, 동시에 냉매의 냉각 또는 승온을 수행하여 에어컨 시스템(140)의 냉 난방 공조를 수행하도록 구성된다.
즉, 본 발명의 제어부는 충전을 수행하는 차량에 제공되는 냉각수 온도를 설정하고, 커넥터(210)를 통해 상기 차량의 배터리(176)충전 중 냉각 또는 승온 조건에 따라 미리 설정된 고온 또는 저온의 냉각수를 상기 차량에 공급하도록 구성된다.
더 바람직하게, 충전소(200)에 저장되는 냉각수 저장탱크에서는 저온 탱크와 고온 탱크를 포함할 수 있으며, 저온 탱크에 저수된 냉각수의 온도는 0 내지 5도 사이의 온도를 갖도록 설정되고, 고온 탱크에 저수된 냉각수의 경우, 45도 내지 50도의 온도를 갖도록 구성될 수 있다. 따라서, 제어부는 차량의 외기를 측정하고, 측정된 온도에 대응하여 저온 탱크 또는/및 고온 탱크로부터 냉각수 온도를 설정하여 냉각수 순환라인(300)을 유동하도록 구성된다.
이와 같이 본 발명은 충전소(200)에 구비되는 냉각수 순환라인(300)의 고온 탱크와 저온 탱크로부터 충전 효율온도범위로 설정되는 냉각수가 커넥터(210)를 통해 차량의 제2 냉각 회로(120)로 유입되도록 구성되는바, 배터리(176) 충전시 충전 효율을 증대한다. 이는 종래 배터리(176) 충전을 수행하는 차량의 열관리 시스템의 냉각수 히터(126) 또는 칠러(125)를 통해 냉각수 온도를 제어하는 방식과 비교하여, 즉각적인 충전 효율온도를 갖는 배터리(176)를 제공할 수 있다.
한편, 도 2에서는 종래 열관리 시스템에서 충전 이후 주행환경에서의 냉방모드에 따른 작동 상태를 나타내는 도면이다.
도 2는 차량의 냉방 모드에서 열관리 시스템의 작동 상태를 나타낸 것으로, 제1 냉각 회로(110)와 제2 냉각 회로(120)를 통해 냉각수가 순환되고, 이러한 냉각수의 순환을 통하여 전륜 인버터, 후륜 인버터, 충전장치(OBC) 및 저전압 DC-DC 컨버터(LDC), 전륜 모터 및 후륜 모터 등 전력전자 부품(170)들과 배터리(176)의 냉각이 이루어지게 된다.
또한, 차량 실내 냉방을 위해 에어컨 시스템(140)이 작동하며, 냉방 시 압축기(144)가 작동하는 동안 냉매가 냉매 라인(155)을 통해 순환하게 된다. 이때, 냉매가 압축기(144)에 의해 고온, 고압으로 압축된 뒤 내부 응축기(145)를 거쳐 외부 응축기(146)를 차례로 통과하는데, 냉매가 열교환기와 외부 응축기(146)를 통과하는 동안 응축된다. 이어 응축된 냉매는 제1 팽창밸브(147)를 통과하면서 저온, 저압으로 팽창되고, 저온, 저압으로 팽창된 냉매는 증발기(153)를 통과한 뒤 어큐뮬레이터(154)를 거쳐 다시 압축기(144)로 순환된다. 더욱이, 냉매의 적어도 일부는 칠러(125)를 통과하여 어큐뮬레이터(154)를 거쳐 다시 압축기(144)로 순환된다. 이와 같이 냉매가 증발기(153)를 통과하는 동안, 증발기(153)에서는 공조 블로어에 의해 송풍되는 공기와 냉매 간의 열교환이 이루어진다. 이때, 증발기(153)에서 냉매의 증발이 이루어지는 동안 냉매의 증발 잠열에 의해 공기가 냉각되고, 냉각된 공기가 차량 실내로 토출됨으로서 차량 실내 냉방이 이루어지게 된다.
상기와 같이 냉방 모드 시 냉매가 분기 냉매 라인(156)을 통해 칠러(125)로 유입되고, 유입된 냉매가 압축기(144), 내부 응축기(145), 외부 응축기(146), 제1 팽창밸브(147), 증발기(153), 어큐뮬레이터(154) 사이의 냉매 라인(155)을 따라 순환하는 동안, 압축기(144)에 의해 고온, 고압으로 압축된 냉매가 통과하면서 제1 냉각 회로(110) 및 제2 냉각 회로(120)의 냉각수에 의해 냉각 및 응축된다. 또한, 압축기(144)에 의해 고온, 고압으로 압축된 냉매는 내부 응축기(145), 외부 응축기(146)를 통과한 뒤 제1 팽창밸브(147)를 통과하기 전까지는 고압 상태를 유지하다가 제1 팽창밸브(147)에서 저온, 저압 상태가 되어 증발기(153)로 공급된다. 상기 증발기(153)를 통과한 냉매는 저압 상태로 어큐뮬레이터(154)를 거쳐 압축기(144)로 순환된다. 더욱이, 제1 팽창밸브(147) 전단에서 분기 냉매라인(156)을 따라 칠러(125)로 유입되는 냉매는 어큐뮬레이터(154) 및 압축기(144)를 순환하도록 구성된다.
즉, 냉방 모드에서는 외부 응축기(146)를 통과한 냉매 중 일부가 분기 냉매 라인(156)으로 분배되어 칠러(125)로 공급되며, 냉매는 저온, 저압 상태가 되어 칠러(125)로 유입되고, 칠러(125)에서 저온, 저압 상태의 냉매와 제2 냉각 회로(120)의 냉각수 간 열교환이 이루어진다. 이에 제2 냉각 회로(120)의 냉각수가 칠러(125)에서 냉매에 의해 냉각될 수 있으며, 이때 냉각된 냉각수가 배터리(176)를 냉각하는데 이용될 수 있다.
즉, 종래 기술로서, 냉매의 냉각과 더불어 급속 충전에 따라 과열된 배터리(176)의 냉각을 동시에 수행하여야 하는바, 외부 응축기(146), 쿨링팬, 내부 응축기(145) 등의 구동시 소요되는 전력이 높아짐을 알 수 있다.
이와 비교하여, 도 3은 충전소(200)의 냉각수 순환라인(300)을 통해 냉각수가 제2 냉각 회로(120)로 주입되거나 또는 주입이 완료된 이후 주행시 냉방모드를 도시하고 있다.
도 1에서 도시된 바와 같이, 제어부는 외기 온도가 제 1설정온도보다 큰 경우, 냉각수 순환라인(300)의 유동되는 냉각수를 과냉각 상태로 설정한다. 또한, 배터리(176)는 급속 충전시 냉각수 순환라인(300)으로부터 주입되는 충전소(200)에 구비된 냉각수에 의해 과냉각된 상태를 유지할 수 있으며, 과냉각된 냉각수를 포함하는 제2 냉각 회로(120)는 칠러(125)를 통해 냉매의 추가적인 응축을 수행할 수 있다. 더 바람직하게, 제2 냉각 회로(120)로 유입되는 냉각수 순환회로의 냉각수 온도는 20도 이하로 설정되고, 배터리(176)의 충전 효율을 고려하여 배터리(176) 온도가 20도에 이르도록 유동될 수 있다. 또한, 칠러(125)를 통해 제2 냉각 회로(120)를 유동하는 냉각수는 에어컨 시스템(140)을 유동하는 냉매를 냉각하도록 구성되는바, 차량의 냉방을 수행하기 위해 차량의 열관리 시스템에서 냉매의 추가 냉각이 필요하지 않도록 구성될 수 있다.
즉, 칠러(125)에서 제2 냉각 회로(120)의 냉각수로 냉매의 열을 흡수하도록 구성되고, 냉매를 통해 구동되는 에어컨 시스템(140)은 전력의 소모 없이 과냉각된 제2 냉각 회로(120)의 냉각수를 이용하여 초기 냉방 모드를 수행할 수 있다. 따라서, 충전이 완료된 상태의 차량의 주행 초기 상태에서 별도의 구동력 없이 제2 냉각 회로(120)로 순환된 냉각수 순환회로(300)의 냉각수의 냉기를 이용하여 에어컨 시스템(140)을 구동할 수 있다.
도 4에서는 종래 기술로서, 급속 충전을 수행함에 있어서, 열관리 시스템의 배터리 승온을 수행하는 냉각수의 흐름을 도시하고 있다.
차량의 장착된 배터리(176)의 후단에는 냉각수 히터(126)을 포함하는바, 제2 냉각 회로(120)는 배터리(176), 냉각수 히터(126)를 유동하고, 제2 바이패스 라인(128)을 통해 배터리(176)로 유입부 전단으로 순환되도록 구성된다. 즉, 배터리 승온을 수행하기 위해 제어부는 냉각수 히터(126)로 전력을 인가하도록 구성되고, 냉각수 히터(126)로부터 배출된 냉각수를 승온하여 배터리(176)의 온도가 충전 효율이 높은 온도를 갖도록 제어된다. 이에 따라 냉각수 히터(126)로 인가되는 전력 소모량이 증가되는 문제점이 존재하였다.
이와 비교하여, 도 5에서는 본 발명의 일 실시예로서, 냉각수 순환라인(300)를 포함하는 충전소(200)로부터 냉각수를 인가받는 차량의 충전 상태를 도시하고 있다.
제어부는 외기온 센서를 통해 외기온도를 수신하고, 수신된 외기온도가 제 2설정온도보다 작은 경우, 냉각수 순환라인(300)을 유동하는 냉각수가 과열되도록 설정된다. 이후, 커넥터(210)를 통해 충전소(200)의 냉각수 순환라인(300)과 차량의 제2 냉각 회로(120)가 유체 연결되는바, 배터리(176)의 전단에 위치하는 커넥터 유입구(211) 및 냉각수 히터(126) 후단에 위치하는 커넥터 배출구(212)를 통해 냉각수 순환라인(300)의 냉각수가 유동되도록 구성된다.
더 바람직하게, 커넥터 유입구(211)를 통해서 과열된 냉각수가 배터리(176)를 포함하는 제2 냉각 회로(120)를 따라 유동되고, 제2 바이패스 라인(128)을 따라 배터리(176)로 재유입되도록 순환라인을 형성한다.
동시에 에어컨 시스템(140)을 경유하는 냉매는 칠러(125)를 통해 유동을 수행하는바, 냉매는 외부 응축기(146)을 바이패스하여 칠러(125), 어큐뮬레이터(154), 압축기(144) 및 내부 응축기(145)를 순차적으로 순환하도록 구성된다. 즉, 제2 냉각 회로(120)를 순환하는 과열된 냉각수는 칠러(125)를 통해 냉매와 열교환을 수행할 수 있도록 구성되고, 상대적으로 높은 온도를 갖는 냉각수로부터 냉매는 열을 공급받도록 구성된다. 따라서, 차량의 충전시 또는 충전이후 주행환경에 따른 난방시 냉매의 가열을 위한 별도의 전력이 요구되지 않은 상태로 주입된 과열된 냉각수를 이용하여 냉매의 온도가 상승되도록 구성된다.
즉, 커넥터 유입구(211)를 통해 배터리(176) 전단으로 유입되는 냉각수는 배터리(176)의 온도가 30도 이상 승온되도록 구성된다. 더욱이, 유입되는 냉각수는 칠러(125)를 경유하여 냉매로 열전달을 수행하고, 이를 통해 에어컨 시스템(140)을 통해 차량의 실내 난방을 수행하도록 구성된다.
이처럼, 칠러(125)에서는 제2 냉각 회로(120)를 순환하는 냉각수 순환라인(300)으로부터 유입되는 고온의 냉각수와 에어컨 시스템(140)을 유동하는 냉매 사이의 열교환을 수행하도록 구성되는바, 차량의 난방을 수행하는 에어컨 시스템(140)은 별도의 전력이 소모되지 않고 높은 온도의 난방을 수행할 수 있도록 구성된다.
상기와 같이, 본 발명은 종래 열관리 시스템과 비교하여, 급속충전시 배터리(176)의 충전 효율온도와 대응되는 온도 범위를 갖도록 상기 배터리(176)를 용이하게 승온시킬 수 있으며, 더욱이, 제2 냉각 회로(120)의 냉각수로부터 냉매로 열전달이 수행되는 칠러(125)를 통해 에어컨 시스템(140)으로 열전달을 수행할 수 있도록 구성된다.
다음으로, 도 6은 충전이 완료된 이후 주행시 종래 차량의 난방 모드에서 열관리 시스템의 작동 상태를 나타낸 것으로, 배터리(176) 승온을 수행하는 급속 충전 이후 차량의 주행시의 열관리 시스템의 구동을 도시하고 있다.
난방 모드에서 제1 냉각 회로(110)와 제2 냉각 회로(120)를 통해 냉각수가 순환되고, 이러한 냉각수의 순환을 통해 전륜 인버터, 후륜 인버터, 충전장치(OBC) 및 저전압 DC-DC 컨버터(LDC), 전륜 모터 및 후륜 모터 등 전력전자 부품들과 배터리(176)의 냉각이 이루어지게 된다. 또한, 난방 모드에서 내부 히터(142)를 선택적으로 작동시킬 수 있는데, 내부 히터(142)의 작동시에는 공조 블로어에 의해 송풍되는 공기가 내부 히터(142)에 의해 가열된 뒤 차량 실내로 토출될 수 있고, 이에 차량 실내 난방이 이루어질 수 있다.
또한, 난방 모드 동안 압축기(144)가 작동하여 냉매를 냉매 라인(155)을 통해 순환시키는데, 이때 냉매가 압축기(144)에서 내부 응축기(145), 외부 응축기(146), 칠러(125), 어큐뮬레이터(accumulator)(154)를 지나 다시 압축기(144)로 순환된다. 난방 모드시 압축기(144)에 의해 고온, 고압으로 압축된 냉매는 내부 응축기(145)를 통과하는 동안 공조 블로어에 의해 송풍되는 공기와 열교환을 하게 되며, 이때 공기가 고온, 고압의 냉매에 의해 가열된 뒤 차량 실내로 토출되면서 차량 실내 난방이 이루어지게 된다.
또는, 종래의 열교환 시스템은 내부 응축기(145), 칠러(125), 어큐뮬레이터(accumulator)(154)를 지나 다시 압축기(144)로 순환하도록 구성되고, 전력전자 부품(170)의 냉각을 수행한 제1 냉매 회로(110)의 냉각수와 냉매가 칠러(125)를 통해 열교환을 수행하여 에어컨 시스템(140)으로 난방을 제공하도록 구성될 수 있다. 즉, 통합 칠러(125)를 통해 열교환된 냉매는 압축기(144)에서 고온, 고압으로 압축된 뒤 내부 응축기(145)로 공급되어 내부 응축기(145)를 통과하는 공조용 공기를 가열하게 된다. 이와 같이 난방 모드에서는 전력전자 부품(170)에서 회수되는 폐열을 이용하여 차량 실내를 난방할 수 있게 된다.
이와 비교하여, 도 7은 본 발명의 열관리 시스템을 이용하여 배터리 승온을 수행하여 급속충전을 수행한 차량의 주행시 난방을 수행하는 흐름을 도시하고 있다.
충전소(200)를 통해 배터리 급속충전을 완료된 전기 차량은 주행 초기시 제2 냉각 회로(120)는 과열된 냉각수가 유동되는 상태를 유지할 수 있다. 그 뿐 아니라, 제1 냉각 회로(110)는 전력전자 부품(170)의 냉각을 수행하도록 유동되는바, 고온의 냉각수가 유동되는 상태를 유지한다. 따라서, 칠러(125)를 통과하는 냉매는 제1 냉각 회로(110) 및 제2 냉각 회로(120)를 유동하는 냉각수로부터 열을 전달받아 상대적으로 고온 상태의 냉매가 에어컨 시스템(140)으로 유입되도록 구성된다.
더 바람직하게, 칠러(125)를 통해 냉각 회로(110, 120)으로부터 충분한 양의 열이 냉매로 전달되는 경우, 외부 응축기(146)을 바이패스하는 냉매 순환라인을 구성할 수 있는바, 냉매는 칠러(125), 어큐뮬레이터(154), 압축기(144) 및 내부 응축기(145)를 순차적으로 유동하도록 구성된다.
즉, 제1 냉각 회로(110)의 전력전자 부품(170)의 폐열과 더불어, 충전소(200)의 냉각수 순환라인(300)을 통해 제2 냉각 회로(120)로 유입된 상대적으로 고온의 냉각수에 포함된 열이 칠러(125)를 통해 냉매로 전달될 수 있는바, 승온 조건에서 급속충전을 수행한 전기차량의 주행시 차량의 실내 난방을 위한 별도의 전력이 요구되지 않을 수 있다.
이처럼, 본 발명은 충전소(200)의 급속 충전을 수행하는 전기 차량에 대응하여, 상기 충전소(200)에 위치하는 냉각수 순환라인(300)의 과냉각 또는 과열된 냉각수가 커넥터(210)를 통해 차량의 제2 냉각 회로(120)로 유입되어 배터리(176)의 냉각 또는 승온을 수행하고, 충전이 완료된 차량의 냉방모드 또는 난방모드를 설정함에 있어서, 유입된 냉각수를 이용하여 냉매와의 열교환 효율을 증대하는 열관리 시스템을 제공한다. 따라서, 충전시 또는 충전후 차량의 주행시 냉각되거나 가열된 냉매를 통해 에어컨 시스템(140)을 구동하여 냉방 모드 또는 난방 모드를 구동하여 열관리 측면에 높은 효율을 제공한다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내어 설명하는 것이며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 기술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 기술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 최선의 상태를 설명하는 것이며, 본 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
110 : 제1 냉각 회로
111 : 제1 리저버 탱크
112 : 제1 전동식 워터펌프 113 : 제1 라디에이터
114 : 제1 냉각수 라인 115 : 제1 바이패스 라인
116 : 제3 밸브 120 : 제2 냉각 회로
121 : 제2 리저버 탱크 122 : 제2 전동식 워터펌프
123 : 제2 라디에이터 125 : 칠러
126 : 냉각수 히터 127 : 제2 냉각수 라인
128 : 제2 바이패스 라인 130 : 쿨링팬
140 : 에어컨 시스템 142 : 내부 히터
144 : 압축기 145 : 내부 응축기
146 : 외부 응축기 147 : 제1 팽창밸브
151 : 제2 팽창밸브 153 : 증발기
154 : 어큐뮬레이터 155 : 냉매 라인
156 : 분기 냉매 라인 161 : 제습 라인
162 : 제1 밸브 200: 충전소
210: 커넥터 211: 커넥터 유입구
212: 커넥터 배출구 300: 냉각수 순환라인
112 : 제1 전동식 워터펌프 113 : 제1 라디에이터
114 : 제1 냉각수 라인 115 : 제1 바이패스 라인
116 : 제3 밸브 120 : 제2 냉각 회로
121 : 제2 리저버 탱크 122 : 제2 전동식 워터펌프
123 : 제2 라디에이터 125 : 칠러
126 : 냉각수 히터 127 : 제2 냉각수 라인
128 : 제2 바이패스 라인 130 : 쿨링팬
140 : 에어컨 시스템 142 : 내부 히터
144 : 압축기 145 : 내부 응축기
146 : 외부 응축기 147 : 제1 팽창밸브
151 : 제2 팽창밸브 153 : 증발기
154 : 어큐뮬레이터 155 : 냉매 라인
156 : 분기 냉매 라인 161 : 제습 라인
162 : 제1 밸브 200: 충전소
210: 커넥터 211: 커넥터 유입구
212: 커넥터 배출구 300: 냉각수 순환라인
Claims (10)
- 충전소에 위치하여 설정된 냉각수 온도를 포함하는 냉각수 순환라인;
상기 냉각수 순환라인과 차량의 냉각 시스템을 연결하기 위한 커넥터; 및
차량의 외기 온도를 수신하고, 차량의 배터리를 급속 충전하는 경우 상기 충전소의 상기 냉각수 순환라인이 차량에 위치하는 냉각 시스템과 체결되어 상기 커넥터를 통해 상기 충전소의 냉각수가 상기 냉각 시스템으로 유입되도록 제어되고, 상기 커넥터를 통해 상기 차량의 충전 중 상기 배터리의 냉각 또는 승온 조건에 따라 미리 설정된 과열 또는 과냉된 냉각수를 상기 차량에 공급하도록 구성되는 제어부;를 포함하고,
상기 제어부는 상기 냉각수 순환라인을 통해 차량으로 유입되는 냉각수와 상기 냉각 시스템간의 열교환을 이용하여 차량의 냉난방 모드를 구동하기 위한 전기자동차용 열관리 시스템.
- 제 1항에 있어서,
상기 냉각 시스템은,
전력전자 부품의 냉각을 수행하는 제1 냉각 회로;
상기 배터리로 유입되는 냉각수를 유동하는 제2 냉각 회로; 및
냉매가 순환하는 에어컨 시스템;을 포함하는 전기자동차용 열관리 시스템.
- 제 2항에 있어서,
상기 에어컨 시스템에 위치하고, 상기 제1 냉각 회로의 냉각수, 제2 냉각 회로의 냉각수 및 상기 에어컨 시스템의 냉매 사이의 열교환을 수행하도록 구성되는 칠러;를 포함하는 전기자동차용 열관리 시스템.
- 제 2항에 있어서,
상기 제어부는 상기 차량의 배터리 충전시 상기 냉각수 순환라인을 통해 상기 배터리를 냉각한 이후 차량 주행시, 상기 냉매로부터 상기 제2 냉각 회로로 열전달을 수행하여 냉방 모드를 구동하는 전기자동차용 열관리 시스템.
- 제 2항에 있어서,
상기 제어부는 상기 차량의 배터리 충전시 상기 냉각수 순환라인을 통해 상기 배터리를 승온한 이후 차량 주행시, 상기 제2 냉각 회로로부터 상기 냉매로 열전달을 수행하여 난방 모드를 구동하는 전기자동차용 열관리 시스템.
- 제 2항에 있어서,
상기 제1 냉각 회로에 위치하는 상기 전력전자 부품은 전륜 모터, 후륜 모터, 전륜 인버터, 후륜 인버터, 차량 내 충전장치(On-Board Charger, OBC) 및 저전압 DC-DC 컨버터(Low voltage DC-DC Converter, LDC) 중 적어도 하나 이상인 전기자동차용 열관리 시스템.
- 제 1항에 있어서,
상기 제어부는 상기 차량의 배터리 온도를 수신하고, 수신된 배터리 온도에 대응하여 상기 냉각수 순환라인에 위치하는 냉각수의 온도를 설정하도록 구성되는 전기자동차용 열관리 시스템.
- 제 1항에 있어서,
상기 제어부는 상기 차량 외기 온도를 수신하고, 수신된 차량 외부 온도가 제 1설정 온도보다 큰 경우, 상기 냉각수 순환라인의 냉각수의 온도를 과냉시켜 상기 차량으로 주입하도록 구성되는 전기자동차용 열관리 시스템.
- 제 1항에 있어서,
상기 제어부는 상기 차량 외기 온도를 수신하고, 수신된 차량 외부 온도가 제 2설정 온도보다 작은 경우, 상기 냉각수 순환라인의 냉각수의 온도를 과열시켜 상기 차량으로 주입하도록 구성되는 전기자동차용 열관리 시스템.
- 제 1항에 있어서,
상기 냉각수 순환라인에는 과냉각된 냉각수가 저수되는 저온 탱크; 및
과열된 냉각수가 저수되는 고온 탱크;를 포함하고,
상기 제어부는 상기 외기 온도에 따라 냉각수 온도를 설정하도록 구성되는 전기자동차용 열관리 시스템.
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---|---|---|---|---|
KR20190036091A (ko) | 2017-09-27 | 2019-04-04 | 한온시스템 주식회사 | 자동차의 통합 열관리 시스템 |
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Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR20190036091A (ko) | 2017-09-27 | 2019-04-04 | 한온시스템 주식회사 | 자동차의 통합 열관리 시스템 |
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