JP2018043741A - 車両用ヒートポンプシステム - Google Patents

Abstract

【課題】廃熱源を利用して暖房効率を向上させるようにする車両用ヒートポンプシステムを提供する。【解決手段】車両用ヒートポンプシステムは、バッテリモジュールＢに連結され、冷却水が流動するバッテリ冷却ライン１０１と、内部に流入する冷媒と冷却水を選択的に熱交換させて冷却水の温度を調節するように前記バッテリ冷却ラインと第１連結ライン１１１を介して連結され、冷媒が流動するエアコン手段の冷媒ラインと第２連結ライン１１３を介して連結されるチラー１１０と、モータと電装品の冷却のために冷却水が循環するように冷却ラインを介して連結されるラジエータ１２と第１ウォータポンプ１４とを含み、前記バッテリ冷却ラインおよび前記第１連結ラインに第１バルブを介して選択的に連結される電装用冷却手段１０と、前記冷媒ラインと前記チラーとの間で前記第２連結ラインに備えられる電磁式膨張バルブ３９とを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、車両用ヒートポンプシステムに関し、より詳細には、冷媒と冷却水が熱交換される１つのチラーを用いてバッテリモジュールを冷却させ、モータ、電装品、およびバッテリモジュールの廃熱源を利用して暖房効率を向上させるようにする車両用ヒートポンプシステムに関する。

一般に、自動車用空気調和装置は、自動車の室内を暖房したり冷房するために冷媒を循環させるエアコンシステムを含む。

このようなエアコン手段は、外部の温度変化に関係なく、自動車室内の温度を適当な温度に維持して快適な室内環境を維持できるようにするもので、圧縮機の駆動によって吐出される冷媒が凝縮器、レシーバドライヤ、膨張バルブおよび蒸発器を経て再び圧縮機に循環する過程で、蒸発器による熱交換によって自動車の室内を暖房または冷房するように構成される。

つまり、エアコン手段は、夏季の冷房モード時には、圧縮機から圧縮された高温、高圧の気相冷媒が凝縮器を通して凝縮された後、レシーバドライヤおよび膨張バルブを経て蒸発器での蒸発により室内の温度および湿度を低くする。

一方、最近、エネルギー効率と環境汚染問題への関心が日増しに高まるにつれ、内燃機関自動車を実質的に代替できる環境に優しい自動車の開発が要求されており、このような環境に優しい自動車は、通常、燃料電池や電気を動力源として駆動される電気自動車や、エンジンとバッテリを用いて駆動されるハイブリッド自動車に区分される。

このような環境に優しい車両のうち、電気自動車またはハイブリッド車両には、一般車両の空気調和装置とは異なって別途のヒータが用いられず、環境に優しい車両に適用される空気調和装置を、通常、ヒートポンプシステムという。

一方、電気自動車の場合には、酸素と水素の化学的反応エネルギーを電気エネルギーに転換して駆動力を発生させ、この過程で燃料電池内の化学的反応によって熱エネルギーが発生することから、発生した熱を効果的に除去することが燃料電池の性能の確保において必須である。

そして、ハイブリッド自動車においても、一般的な燃料で作動するエンジンと共に、前記燃料電池や、電気バッテリから供給される電気を利用してモータを駆動させて駆動力を発生させることから、燃料電池やバッテリ、およびモータから発生する熱を効果的に除去してこそモータの性能を確保することができる。

これにより、従来技術に係るハイブリッド車両や電気自動車では、モータと電装品、および燃料電池を含むバッテリの発熱を防止するように、電装用冷却手段、およびヒートポンプシステムと共に、バッテリ冷却システムがそれぞれ別途の密閉回路として構成されなければならない。

したがって、車両の前方に配置されるクーリングモジュールの大きさおよび重量が増加し、エンジンルームの内部でそれぞれのヒートポンプシステムと電装用冷却手段およびバッテリ冷却システムに冷媒または冷却水を供給する連結配管のレイアウトが複雑になるという欠点がある。

また、バッテリが最適性能を発揮するように、車両の状態に応じてバッテリをウォームアップまたは冷却させるバッテリ冷却システムが別途に備えられることから、各連結配管と連結するための複数のバルブが適用され、これらバルブの頻繁な開閉作動による騒音および振動が車両室内に伝達されて乗り心地が低下するという欠点もある。

この背景技術部分に記載された事項は、発明の背景に対する理解を増進させるために作成されたものであり、この技術の属する分野における通常の知識を有する者に既知の従来技術でない事項を含むことができる。

したがって、本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであって、本発明が解決しようとする課題は、冷却水と冷媒が熱交換される１つのチラーを用いてバッテリモジュールを冷却させることによって、システムの単純化が可能な車両用ヒートポンプシステムを提供する。

また、本発明の他の目的は、モータ、電装品、およびバッテリモジュールの廃熱源を利用して暖房効率を向上させるようにする車両用ヒートポンプシステムを提供する。

上記の目的を達成するための、本発明の実施形態に係る車両用ヒートポンプシステムは、バッテリモジュールに連結され、冷却水が流動するバッテリ冷却ラインと、内部に流入する冷媒と冷却水を選択的に熱交換させて冷却水の温度を調節するように前記バッテリ冷却ラインと第１連結ラインを介して連結され、冷媒が流動するエアコン手段の冷媒ラインと第２連結ラインを介して連結されるチラーと、モータと電装品の冷却のために冷却水が循環するように冷却ラインを介して連結されるラジエータと第１ウォータポンプとを含み、前記バッテリ冷却ラインおよび前記第１連結ラインに第１バルブを介して選択的に連結される電装用冷却手段と、前記冷媒ラインと前記チラーとの間で前記第２連結ラインに備えられる電磁式膨張バルブとを含む。

前記エアコン手段は、前記冷媒ラインを介して連結され、車両の冷房、暖房、および暖房／除湿モードに応じて、蒸発器を通過した外気が内部コンデンサに選択的に流入するように調節する開閉ドアが内部に備えられたＨＶＡＣモジュールと、前記蒸発器と前記内部コンデンサとの間で前記冷媒ラインを介して連結される圧縮機と、前記圧縮機と前記蒸発器との間で前記冷媒ラインに備えられるアキュムレータと、前記内部コンデンサと前記冷媒ラインを介して連結され、車両の前方に配置される外部コンデンサと、前記外部コンデンサと前記蒸発器とを連結する前記冷媒ラインに備えられる膨張バルブと、前記内部コンデンサと前記外部コンデンサとの間における前記冷媒ラインに備えられる第２バルブを介して、前記外部コンデンサと前記膨張バルブとの間の前記冷媒ラインに連結される廃熱回収ラインとを含むことができる。

前記バッテリ冷却ラインには、前記ラジエータと前記チラーとの間で前記モータおよび前記電装品を連結する前記冷却ラインと前記バッテリ冷却ラインとを連結する第３バルブが備えられる。

車両の冷房モードで前記バッテリモジュールを冷却する場合には、前記第１バルブの作動により前記第１連結ラインが開放されて前記バッテリ冷却ラインに連結され、前記電磁式膨張バルブの作動により前記第２連結ラインが開放され、前記膨張バルブの作動により前記外部コンデンサと前記蒸発器とを連結する前記冷媒ラインが開放され、前記第２バルブの作動により前記廃熱回収ラインは閉鎖され、前記第１、および第３バルブの作動により前記バッテリ冷却ラインと前記冷却ラインとが連結されていない状態で、前記バッテリ冷却ラインと前記冷却ラインがそれぞれ閉鎖された回路を形成することができる。

前記電磁式膨張バルブは、前記第２連結ラインに流入する冷媒を膨張させて前記チラーに流入させることができる。

車両の冷房モードの非作動時に冷媒を用いて前記バッテリモジュールを冷却する場合には、前記第１バルブと前記電磁式膨張バルブの作動により前記第１、および第２連結ラインが開放され、前記電磁式膨張バルブが前記第２連結ラインに流入する冷媒を膨張させて前記チラーに流入させ、前記膨張バルブの作動が中断されて前記蒸発器に連結される前記冷媒ラインが閉鎖され、前記第２バルブの作動により前記廃熱回収ラインは閉鎖され、前記第１、および第３バルブの作動により前記バッテリ冷却ラインと前記冷却ラインとが連結されていない状態で、前記バッテリ冷却ラインと前記冷却ラインがそれぞれ閉鎖された回路を形成することができる。

車両の暖房モードで前記バッテリモジュール、前記モータ、および前記電装品の廃熱を回収する場合には、前記第１バルブと前記電磁式膨張バルブの作動により前記第１および第２連結ラインが開放され、前記膨張バルブの作動が中断されて前記蒸発器に連結される前記冷媒ラインが閉鎖され、前記第２バルブの作動により前記外部コンデンサに連結される冷媒ラインは閉鎖され、前記廃熱回収ラインは開放され、前記第１、および第３バルブの作動により前記バッテリ冷却ラインと前記冷却ラインとが相互連結された１つの回路を形成することができる。

前記電磁式膨張バルブは、前記第２連結ラインに流入する冷媒を膨張させず、前記チラーに流入させることができる。

車両の暖房モードで前記バッテリモジュール、前記モータ、および前記電装品の廃熱を回収する場合、前記チラーは、前記第１連結ラインを介して前記バッテリモジュール、前記モータ、および前記電装品に並列に連結される。

前記モータ、および前記電装品を連結する前記冷却ラインは、前記第１バルブと前記第２バルブの作動により前記第１連結ラインに選択的に連結される。

前記冷却ラインには、前記ラジエータと前記第３バルブとの間にリザーバタンクが備えられる。

前記第１バルブと前記チラーとの間における前記第１連結ラインには、第４バルブが備えられる。

前記第４バルブは、チェックバルブであるとよい。

前記第１、第２、および第３バルブは、流量の分配が可能な３−Ｗａｙバルブであるとよい。

前記チラーと前記バッテリモジュールとの間における前記バッテリ冷却ラインには、第２ウォータポンプが備えられる。

前記バッテリモジュールと前記チラーとの間における前記バッテリ冷却ラインには、加熱器が備えられる。

前記加熱器は、前記バッテリモジュールのウォームアップ時にＯＮ作動し、前記バッテリ冷却ラインで循環する冷却水を加熱して前記バッテリモジュールに流入させることができる。

前記加熱器は、車両の暖房モードで選択的にＯＮ作動し、前記バッテリ冷却ラインで循環する冷却水を加熱することができる。

上述のように、本発明の実施形態に係る車両用ヒートポンプシステムによれば、電気自動車またはハイブリッド車両で冷却水と冷媒が熱交換される１つのチラーを用いて、車両のモードに応じてバッテリモジュールを冷却させることによって、システムの単純化が可能になる。

また、バッテリモジュールが車両のモードに合わせて効率的に冷却されることによって、バッテリモジュールの最適性能の発揮が可能になり、効率的なバッテリモジュールの管理により車両の全体的な走行距離を増加させることができる。

なお、モータ、電装品、およびバッテリモジュールの廃熱源を選択的に利用して暖房効率を向上させることができる。

さらに、バルブの個数を最少化し、全体システムの簡素化により製作コストの節減および重量縮小が可能で、空間活用性を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る車両用ヒートポンプシステムのブロック構成図である。 本発明の実施形態に係る車両用ヒートポンプシステムにおいて、車両の冷房モードに応じたモータ、電装品、およびバッテリモジュールの冷却時の作動状態図である。 本発明の実施形態に係る車両用ヒートポンプシステムにおいて、車両の冷房モードが中止された状態におけるモータ、電装品、およびバッテリモジュールの冷却時の作動状態図である。 本発明の実施形態に係る車両用ヒートポンプシステムにおいて、車両の暖房モードに応じたモータ、電装品およびバッテリモジュールでの廃熱回収時の作動状態図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を、添付した図面に基づいて詳細に説明する。

これに先立ち、本明細書に記載された実施形態と図面に示された構成は本発明の最も好ましい一実施形態に過ぎず、本発明の技術的な思想を全て代弁するものではないので、本出願時点においてこれらを代替できる多様な均等物と変形例があり得ることを理解しなければならない。

本発明を明確に説明するために説明上不必要な部分は省略し、明細書全体にわたって同一または類似の構成要素については同一の参照符号を付す。

図面に示された各構成の大きさおよび厚さは説明の便宜のために任意に示したので、本発明が必ずしも図面に示されたところに限定されず、様々な部分および領域を明確に表現するために厚さを拡大して示した。

そして、明細書全体において、ある部分がある構成要素を「含む」とする時、これは特に反対となる記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく、他の構成要素をさらに包含できることを意味する。

また、明細書に記載された「…ユニット」、「…手段」、「…部」、「…部材」などの用語は、少なくとも１つの機能や動作をする包括的な構成の単位を意味する。

図１は、本発明の実施形態に係る車両用ヒートポンプシステムのブロック構成図である。

本発明の実施形態に係る車両用ヒートポンプシステム１００は、車両に搭載されたバッテリモジュールＢを冷却させたり、前記バッテリモジュールＢまたはモータ１５と電装品１６から発生した廃熱を選択的に利用して暖房効率を向上させる。

このようなヒートポンプシステム１００は、図１に示しているように、ハイブリッド車両または電気自動車でモータ１５と電装品１６を冷却するための電装用冷却手段１０と、車両室内を冷房または暖房するための空調装置であるエアコン手段２０とに相互連動する。

ここで、前記電装用冷却手段１０は、冷却ライン１１で連結されるラジエータ１２と第１ウォータポンプ１４とを含み、前記モータ１５と前記電装品１６を冷却するように冷却水を循環させる。

前記電装品１６は、前記モータ１５と前記第１ウォータポンプ１４との間で前記冷却ライン１１上に備えられる電力制御装置（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ、ＥＰＣＵ）１７と、前記モータ１５と前記ラジエータ１２との間で前記冷却ライン１１上に備えられる充電器（Ｏｎ Ｂｏａｒｄ Ｃｈａｒｇｅｒ、ＯＢＣ）１８とを含むことができる。

前記ラジエータ１２は、車両の前方に配置され、後方にはクーリングファン１３が備えられ、クーリングファン１３の作動と外気との熱交換により冷却水を冷却する。

このように構成される前記電装用冷却手段１０は、第１ウォータポンプ１４の作動により前記ラジエータ１２で冷却された冷却水を冷却ライン１１に沿って循環させることによって、モータ１５と電装品１６が過熱しないように冷却させる。

前記エアコン手段２０は、冷媒ライン２１を介して連結されるＨＶＡＣモジュール（Ｈｅａｔｉｎｇ、Ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ、ａｎｄ Ａｉｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ）２２と、圧縮機３１と、アキュムレータ３３と、外部コンデンサ３５と、膨張バルブ３７とを含む。

まず、前記ＨＶＡＣモジュール２２は、前記冷媒ライン２１を介して連結され、車両の冷房、暖房、および暖房／除湿モードに応じて、蒸発器２７を通過した外気が内部コンデンサ２３とヒータ２５に選択的に流入するように調節する開閉ドア２９が内部に備えられる。

つまり、前記開閉ドア２９は、車両の暖房モードで前記蒸発器２７を通過した外気が前記内部コンデンサ２３とヒータ２５に流入するように開放される。逆に、車両の冷房モードで、前記開閉ドア２９は、前記蒸発器２７を通過しながら冷却された外気が車両内部に直に流入するように内部コンデンサ２３とヒータ２５側を閉鎖する。

前記圧縮機３１は、前記蒸発器２７と前記内部コンデンサ２３との間で前記冷媒ライン２１を介して連結される。このような圧縮機３１は、気体状態の冷媒を圧縮させる。

前記アキュムレータ３３は、前記圧縮機３１と蒸発器２７との間で冷媒ライン２１に備えられる。このようなアキュムレータ３３は、前記圧縮機３１に気体状態の冷媒のみを供給することによって、前記圧縮機３１の効率および耐久性を向上させる。

本実施形態において、前記外部コンデンサ３５は、前記内部コンデンサ２３と前記冷媒ライン２１を介して連結される。このような外部コンデンサ３５は、前記電装用ラジエータ１２の前方に配置され、内部に流入した冷媒を外気と相互熱交換させる。

前記膨張バルブ３７は、前記外部コンデンサ３５と前記蒸発器２７とを連結する前記冷媒ライン２１に備えられる。前記膨張バルブは、前記外部コンデンサ３５を通過した冷媒を受けて膨張させる。

ここで、本発明の実施形態に係る前記ヒートポンプシステム１００は、バッテリ冷却ライン１０１と、チラー１１０と、電磁式膨張バルブ３９とをさらに含む。

まず、前記バッテリ冷却ライン１０１は、前記バッテリモジュールＢに連結され、冷却水が流動する。前記バッテリモジュールＢは、前記モータ１５と電装品１６に電源を供給する。このようなバッテリモジュールＢは、冷却水により冷却される水冷式で形成される。

ここで、前記バッテリ冷却ライン１０１には、前記チラー１１０と前記バッテリモジュールＢとの間に第２ウォータポンプ１０３が備えられる。前記第２ウォータポンプ１０３は、前記バッテリ冷却ライン１０１を介して冷却水を循環させるように作動する。

前記第１ウォータポンプ１４と前記第２ウォータポンプ１０３は、電動式ウォータポンプであるとよい。

前記チラー１１０は、前記バッテリ冷却ライン１０１と第１連結ライン１１１を介して連結され、前記冷媒ライン２１と第２連結ライン１１３を介して連結される。このようなチラー１１０は、内部に流入する冷媒と冷却水を選択的に熱交換させて冷却水の温度を調節する。

ここで、前記電装用冷却手段１０は、前記バッテリ冷却ライン１０１および前記第１連結ライン１１１に第１バルブＶ１を介して選択的に連結される。

前記第１バルブＶ１は、前記冷却ライン１１と前記バッテリ冷却ライン１０１とを選択的に連通させたり、前記冷却ライン１１と前記バッテリ冷却ライン１０１を通して流動する冷却水の流動流れをそれぞれ制御する。

本実施形態において、前記電磁式膨張バルブ３９は、前記冷媒ライン２１と前記チラー１１０との間で前記第２連結ライン１１３に備えられる。

前記電磁式膨張バルブ３９は、前記第２連結ライン１１３を選択的に開閉して前記チラー１１０に冷媒を流入させる。これと同時に、前記電磁式膨張バルブ３９は、冷媒の膨張が要求される場合、制御器（図示せず）の制御信号に応じて作動し、選択的に冷媒を膨張させることができる。

このような電磁式膨張バルブ３９は、冷房または暖房モードに応じて、選択的に冷媒の膨張なく循環させるバルブの機能を行うことができる。

これにより、前記電磁式膨張バルブ３９は、車両の冷房モードの作動、または冷媒で前記バッテリモジュールＢを冷却する場合に作動する。このような電磁式膨張バルブ３９は、前記第２連結ライン１１３を通して流入する冷媒を膨張させて低温状態で前記チラー１１０に流入させることができる。

つまり、前記電磁式膨張バルブ３９は、前記外部コンデンサ３５から排出された凝縮された冷媒を膨張させてその温度を低下させた状態で前記チラー１１０に流入させることによって、前記チラー１１０の内部を通過する冷却水の水温をさらに低下させることができる。

したがって、前記バッテリモジュールＢには、前記チラー１１０を通過しながら水温が低くなった冷却水が流入して、より効率的に冷却できる。

一方、本実施形態において、前記エアコン手段２０は、前記モータ１５、および前記電装品１６と前記バッテリモジュールＢから発生する廃熱を回収するように廃熱回収ラインをさらに含む。

前記廃熱回収ライン４１は、前記内部コンデンサ２３と前記外部コンデンサ３５との間における前記冷媒ライン２１に備えられる第２バルブＶ２を介して、前記外部コンデンサ３５と前記膨張バルブ３７との間の前記冷媒ライン２１に連結される。

このような廃熱回収ライン４１は、車両の暖房モードで前記第２バルブＶ２の作動により選択的に開放される。

また、前記バッテリ冷却ライン１０１には、第３バルブＶ３がさらに備えられる。

前記第３バルブＶ３は、前記ラジエータ１２と前記チラー１１０との間で前記モータ１５および前記電装品１６を連結する前記冷却ライン１１と前記バッテリ冷却ライン１０１とを連結する。

つまり、前記モータ１５、および前記電装品１６を連結する前記冷却ライン１１は、前記第１、第３バルブＶ１、Ｖ３の作動により前記第１連結ライン１１１に選択的に連結される。

また、前記ラジエータ１２と前記第３バルブＶ３との間における前記冷却ライン１１には、リザーバタンク１９が備えられる。

前記リザーバタンク１９は、前記ラジエータ１２から流入する冷却済みの冷却水が貯蔵される。

一方、本実施形態では、前記第１ウォータポンプ１４が前記第３バルブＶ３と前記電力制御装置１７との間で前記冷却ライン１１上に備えられることを一実施形態として説明しているが、これに限定されたものではなく、前記第１ウォータポンプ１４は、前記第３バルブＶ３と前記リザーバタンク１９との間で前記冷却ライン１１上に備えられる。

前記第１ウォータポンプ１４が前記リザーバタンク１９と前記第３バルブＶ３との間に備えられると、前記バッテリモジュールＢを冷却水で冷却する場合、前記第２ウォータポンプ１０３と共に稼働されながら、前記バッテリモジュールＢに循環する冷却水の流量を増大させることができる。

本実施形態において、前記第１、第２、および第３バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３は、流量の分配が可能な３−Ｗａｙバルブであるとよい。

一方、前記第１バルブＶ１と前記チラー１１０との間における前記第１連結ライン１１１には、第４バルブＶ４が備えられる。

このような第４バルブＶ４は、流体を一方向にのみ流動させるチェックバルブであるとよい。

前記第４バルブＶ４は、前記チラー１１０から前記第１バルブＶ１に向かって冷却水の逆流を防止するように機能する。

また、前記バッテリモジュールＢと前記チラー１１０との間における前記バッテリ冷却ライン１０１には、加熱器１０５が備えられる。

ここで、前記加熱器１０５は、前記バッテリモジュールＢのウォームアップ時に選択的にＯＮ作動し、前記バッテリ冷却ライン１０１で循環する冷却水を加熱して前記バッテリモジュールＢに流入させることができる。

また、前記加熱器１０５は、車両の暖房モードで選択的にＯＮ作動し、前記バッテリ冷却ライン１０１で循環する冷却水を加熱することができる。

以下、上記のように構成される本発明の実施形態に係る車両用ヒートポンプシステム１００の各モード別の作動および作用を、図２〜図４により詳細に説明する。

まず、本発明の実施形態に係る車両用ヒートポンプシステム１００において、車両の冷房モードに応じた前記モータ１５、電装品１６、およびバッテリモジュールＢの冷却時の作動を、図２を参照して説明する。

図２は、本発明の実施形態に係る車両用ヒートポンプシステムにおいて、車両の冷房モードに応じたモータ、電装品、およびバッテリモジュールの冷却時の作動状態図である。

図２を参照すれば、車両の冷房モードでバッテリモジュールＢを冷却する場合、前記電装用冷却手段１０では、前記モータ１５と前記電装品１６の冷却要求および冷却水温に応じて、前記第３バルブＶ３の作動により前記冷却ライン１１が開放される。

これと同時に、前記バッテリ冷却ライン１０１は、前記第１バルブＶ１の作動により前記バッテリモジュールＢと前記チラー１１０とが連結されるように前記第１連結ライン１１１が開放される。

ここで、前記冷却ライン１１と前記バッテリ冷却ライン１０１とは、前記第１、および第３バルブＶ１、Ｖ３の作動により連結されなくなる。

すると、前記冷却ライン１１とバッテリ冷却ライン１０１がそれぞれ閉鎖された回路を形成する。これにより、冷却水は、前記電装用冷却手段１０と前記バッテリモジュールＢでそれぞれ閉鎖された回路に沿って独立して流動する。

つまり、前記ラジエータ１２で冷却された冷却水は、前記第１ウォータポンプ１４の作動により前記モータ１５、および前記電装品１６を冷却させるように前記冷却ライン１１を循環する。

そして、前記チラー１１０を通過した冷却水は、前記第２ウォータポンプ１０３の作動により前記バッテリモジュールＢを冷却させるように前記バッテリ冷却ライン１０１を循環する。

ここで、前記バッテリ冷却ライン１０１を循環する冷却水は、前記チラー１１０で冷媒と熱交換により冷却され、前記バッテリモジュールＢに供給される。これにより、前記バッテリモジュールＢは、冷却された冷却水によって冷却される。

一方、前記エアコン手段２０は、車両室内を冷房するように冷媒ライン２１に沿って冷媒を循環させて室内を冷房する。

この時、前記第２連結ライン１１３は、前記電磁式膨張バルブ３９の作動により開放される。そして、前記廃熱回収ライン４１は、前記第２バルブＶ２の作動により閉鎖される。

これにより、前記チラー１１０は、前記蒸発器２７および前記外部コンデンサ３５に並列に連結される。

前記外部コンデンサ３５から排出された一部の冷媒は、前記電磁式膨張バルブ３９の作動により膨張して低温低圧の状態となり、前記第２連結ライン１１３に連結される前記チラー１１０に流入する。

つまり、前記電磁式膨張バルブ３９は、前記第２連結ライン１１３に流入する冷媒を膨張させて前記チラー１１０に流入させる。

その後、前記チラー１１０に流入した冷媒は冷却水と熱交換され、前記第２連結ライン１１３を通して前記アキュムレータ３３に流入する。

つまり、前記バッテリモジュールＢを冷却しながら温度が上昇した冷却水は、低温低圧の冷媒と前記チラー１１０の内部で熱交換により冷却される。冷却された冷却水は、前記バッテリ冷却ライン１０１を通して再びバッテリモジュールＢに供給される。

つまり、冷却水は、上述のような作動を繰り返し行いながら、前記バッテリモジュールＢを効率的に冷却させることができる。

一方、前記外部コンデンサ３５から排出された残りの冷媒は、車両の室内を冷房するように前記冷媒ライン２１を通して流動し、前記膨張バルブ３７、前記蒸発器２７、前記アキュムレータ３３、前記圧縮機３１、前記内部コンデンサ２３を順次に通過する。

ここで、前記ＨＶＡＣモジュール２２に流入する外気は、前記蒸発器２７に流入した低温状態の冷媒によって前記蒸発器２７を通過しながら冷却される。

この時、前記開閉ドア２９は、冷却された外気が前記内部コンデンサ２３とヒータ２５を通過しないように前記内部コンデンサ２３に通過する部分を閉鎖する。したがって、冷却された外気は車両の内部に直接流入することによって、車両室内を冷房することができる。

その後、冷媒は、前記外部コンデンサ３５に流入し、前記外部コンデンサ３５を通過しながら外気との熱交換により凝縮される。

つまり、上述した過程を繰り返し行いながら、冷媒は、車両の冷房モードで室内を冷房すると同時に、前記チラー１１０を通過しながら熱交換により冷却水を冷却させる。

本実施形態において、車両の冷房モードが中止された状態で冷媒を用いたバッテリモジュールの冷却時の作動を、図３を参照して説明する。

図３は、本発明の実施形態に係る車両用ヒートポンプシステムにおいて、車両の冷房モードが中止された状態におけるモータ、電装品、およびバッテリモジュールの冷却時の作動状態図である。

図３を参照すれば、冷媒を用いてバッテリモジュールＢを冷却する場合、前記第１バルブＶ１と前記電磁式膨張バルブ３９の作動により前記第１、および第２連結ライン１１１、１１３が開放される。

これと同時に、前記エアコン手段２０の膨張バルブ３７は作動が中止され、前記蒸発器２７に冷媒の流入が防止される。

これにより、冷媒は、前記圧縮機３１から前記外部コンデンサ３５に流入して外気との熱交換により凝縮される。その後、冷媒は、前記外部コンデンサ３５から排出されて前記冷媒ライン２１に沿って移動し、開放された前記第２連結ライン１１３に流入する。

前記第２連結ライン１１３に流入した冷媒は、前記電磁式膨張バルブ３９の作動により膨張して低温低圧の状態となり、前記チラー１１０に流入する。

前記チラー１１０に流入した冷媒は冷却水と熱交換され、前記第２連結ライン１１３を通して前記アキュムレータ３３に流入する。

つまり、前記バッテリモジュールＢを冷却しながら温度が上昇した冷却水は、低温低圧の冷媒と前記チラー１１０の内部で熱交換により冷却される。冷却された冷却水は、前記バッテリ冷却ライン１０１を通して再びバッテリモジュールＢに供給される。

したがって、冷却水は、上述のような作動を繰り返し行いながら、前記バッテリモジュールＢを効率的に冷却させることができる。

一方、前記チラー１１０を通過した冷媒は、前記アキュムレータ３３を通過して、再び前記圧縮機３１、前記内部コンデンサ２３を順次に通過する。

その後、冷媒は、前記外部コンデンサ３５に流入し、前記外部コンデンサ３５を通過しながら外気との熱交換により凝縮される。

ここで、前記廃熱回収ライン４１は、前記第２バルブＶ２の作動により閉鎖される。

一方、前記電装用冷却手段１０では、前記モータ１５と前記電装品１６の冷却要求および冷却水温に応じて、前記第３バルブＶ３の作動により前記冷却ライン１１が開放される。

これと同時に、前記バッテリ冷却ライン１０１は、前記第１バルブＶ１の作動により前記バッテリモジュールＢと前記チラー１１０とが連結されるように前記第１連結ライン１１１が開放される。

ここで、前記冷却ライン１１と前記バッテリ冷却ライン１０１とは、前記第１、および第３バルブＶ１、Ｖ３の作動により連結されなくなる。

すると、前記冷却ライン１１とバッテリ冷却ライン１０１がそれぞれ閉鎖された回路を形成する。これにより、冷却水は、前記電装用冷却手段１０と前記バッテリモジュールＢでそれぞれ閉鎖された回路に沿って独立して流動する。

つまり、前記ラジエータ１２で冷却された冷却水は、前記第１ウォータポンプ１４の作動により前記モータ１５、および前記電装品１６を冷却させるように前記冷却ライン１１を循環する。

反面、前記バッテリ冷却ライン１０１を循環する冷却水は、前記チラー１１０で冷媒と熱交換により冷却され、前記バッテリモジュールＢに供給される。これにより、前記バッテリモジュールＢは、冷媒と熱交換により冷却された冷却水によって冷却される。

つまり、前記バッテリモジュールＢには、前記チラー１１０で冷媒との熱交換により冷却された冷却水が第２ウォータポンプ１０３の作動により流入する。これにより、冷却された冷却水は、前記バッテリモジュールＢを効率的に冷却することができる。

一方、図２と図３では、前記電装用冷却手段１０が前記モータ１５および電装品１６を冷却させるように作動することを一実施形態として説明しているが、これに限定されたものではなく、前記モータ１５と前記電装品１６の冷却が要求されない場合には、前記冷却ライン１１に冷却水の循環が中断される。

本実施形態において、車両の暖房モードに応じた前記電装品、および前記バッテリモジュールでの廃熱回収時の作動を、図４を参照して説明する。

図４は、本発明の実施形態に係る車両用ヒートポンプシステムにおいて、車両の暖房モードに応じたモータ、電装品およびバッテリモジュールでの廃熱回収時の作動状態図である。

図４を参照すれば、車両の暖房モードで前記バッテリモジュールＢ、前記モータ１５、および前記電装品１６の廃熱を回収する場合、前記第１バルブＶ１と前記電磁式膨張バルブ３９の作動により前記第１、および第２連結ライン１１１、１１３が開放される。

そして、前記第２バルブＶ２の作動により前記外部コンデンサ３５に連結される前記冷媒ライン２１は閉鎖され、前記廃熱回収ライン４１は開放される。

この時、前記第３バルブＶ３は、前記モータ１５および前記電装品１６が前記ラジエータ１２に連結されないように前記冷却ライン１１の連結を閉鎖する。

これと同時に、前記第１、および第３バルブＶ１、Ｖ３は、前記モータ１５および前記電装品１６を通過する冷却ライン１１を前記バッテリ冷却ライン１０１と連通させる。

これにより、前記モータ１５および前記電装品１６で発生した廃熱と前記バッテリモジュールＢで発生した廃熱によって温度が上昇した冷却水は、前記第１、および第２ウォータポンプ１４、１０３の作動により前記第１連結ライン１１１にそれぞれ流入して前記チラー１１０を通過する。

ここで、前記膨張バルブ３７は作動が中断されて前記蒸発器２７に連結される前記冷媒ライン２１は閉鎖される。また、前記電磁式膨張バルブ３９は、前記第２連結ライン１１３に流入する冷媒を膨張させず、前記チラー１１０に流入させる。

つまり、前記電磁式膨張バルブ３９は、前記第２連結ライン１１３を開閉する開閉バルブとして作動することができる。

したがって、冷媒は、前記チラー１１０を通過した後、前記アキュムレータ３３、前記圧縮機３１、前記内部コンデンサ２３を順次に通過した後、前記第２バルブＶ２の作動により開放された前記廃熱回収ライン４１に流入する。

その後、冷媒は、前記第２連結ライン１１３を介して前記チラー１１０に流入し、前記チラー１１０で温度が上昇した冷却水と熱交換される。

つまり、前記モータ１５および前記電装品１６と前記バッテリモジュールＢで発生した廃熱は、前記チラー１１０で前記冷媒の温度を上昇させる。

ここで、前記チラー１１０は、前記第１連結ライン１１１を介して前記バッテリモジュールＢ、前記モータ１５、および前記電装品１６に並列に連結される。

温度が上昇した冷媒は、前記アキュムレータ３３を通過して前記圧縮機３１に流入し、圧縮機３１から高温高圧の状態に圧縮されて前記内部コンデンサ２３に流入する。

ここで、前記開閉ドア２９は、前記ＨＶＡＣモジュール２２に流入して前記蒸発器２７を通過した外気が前記内部コンデンサ２３を通過するように開放される。

これにより、外部から流入した外気は、冷媒が供給されていない前記蒸発器２７を通過する時、冷却されない室温状態で流入する。流入した外気は、前記内部コンデンサ２３を通過しながら高温状態に変換され、選択的に作動する前記ヒータ２５を通過して車両室内に流入することによって、車両室内の暖房が実現できる。

一方、前記加熱器１０５は、必要に応じて選択的にＯＮ作動し、前記バッテリ冷却ライン１０１で循環する冷却水を加熱することができる。これにより、前記チラー１１０を通過する冷媒は迅速に温度が上昇する。

つまり、本実施形態に係るヒートポンプシステム１００は、車両の暖房モードで前記モータ１５、前記電装品１６、および前記バッテリモジュールＢで発生する廃熱源を冷媒の温度を上昇させるのに利用することによって、圧縮機３１の動力消耗を低減し、暖房効率を向上させることができる。

一方、本実施形態では、前記モータ１５、電装品１６およびバッテリモジュールＢの廃熱を全て回収する場合を説明しているが、これに限定されたものではなく、前記バッテリモジュールＢの廃熱のみを回収する場合には、前記モータ１５、および前記電装品１６を連結する前記冷却ライン１１が前記第１バルブＶ１と前記第２バルブＶ２の作動により前記第１連結ライン１１１に選択的に連結される。

したがって、上記のように構成される本発明の実施形態に係る車両用ヒートポンプシステム１００を適用すると、電気自動車またはハイブリッド車両で冷却水と冷媒が熱交換される１つのチラー１１０を用いて、車両のモードに応じてバッテリモジュールＢを冷却させることによって、システムの単純化が可能になる。

また、バッテリモジュールＢが車両のモードに合わせて効率的に冷却されることによって、バッテリモジュールＢの最適性能の発揮が可能になり、効率的なバッテリモジュールＢの管理により車両の全体的な走行距離を増加させることができる。

なお、前記モータ１５、前記電装品１６、および前記バッテリモジュールＢの廃熱源を選択的に利用して暖房効率を向上させることができる。

さらに、全体システムの簡素化により製作コストの節減および重量縮小が可能で、空間活用性を向上させることができる。

以上、本発明は限定された実施形態と図面によって説明されたが、本発明はこれによって限定されず、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者によって本発明の技術思想と以下に記載される特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正および変形が可能であることはもちろんである。

１０：電装用冷却手段
１１：冷却ライン
１２：ラジエータ
１３：クーリングファン
１４：第１ウォータポンプ
１５：モータ
１６：電装品
２０：エアコン手段
２１：冷媒ライン
２２：ＨＶＡＣモジュール
２３：内部コンデンサ
２５：ヒータ
２７：蒸発器
２９：開閉ドア
３１：圧縮機
３３：アキュムレータ
３５：外部コンデンサ
３７：膨張バルブ
３９：電磁式膨張バルブ
４１：廃熱回収ライン
１００：ヒートポンプシステム
１０１：バッテリ冷却ライン
１０３：第２ウォータポンプ
１１０：チラー
１１１：第１連結ライン
１１３：第２連結ライン
Ｂ：バッテリモジュール
Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４：第１、第２、第３、および第４バルブ

Claims (18)

1. バッテリモジュールに連結され、冷却水が流動するバッテリ冷却ラインと、
   内部に流入する冷媒と冷却水を選択的に熱交換させて冷却水の温度を調節するように前記バッテリ冷却ラインと第１連結ラインを介して連結され、冷媒が流動するエアコン手段の冷媒ラインと第２連結ラインを介して連結されるチラーと、
   モータと電装品の冷却のために冷却水が循環するように冷却ラインを介して連結されるラジエータと第１ウォータポンプとを含み、前記バッテリ冷却ラインおよび前記第１連結ラインに第１バルブを介して選択的に連結される電装用冷却手段と、
   前記冷媒ラインと前記チラーとの間で前記第２連結ラインに備えられる電磁式膨張バルブとを含むことを特徴とする車両用ヒートポンプシステム。
2. 前記エアコン手段は、
   前記冷媒ラインを介して連結され、車両の冷房、暖房、および暖房／除湿モードに応じて、蒸発器を通過した外気が内部コンデンサに選択的に流入するように調節する開閉ドアが内部に備えられたＨＶＡＣモジュールと、
   前記蒸発器と前記内部コンデンサとの間で前記冷媒ラインを介して連結される圧縮機と、
   前記圧縮機と前記蒸発器との間で前記冷媒ラインに備えられるアキュムレータと、
   前記内部コンデンサと前記冷媒ラインを介して連結され、車両の前方に配置される外部コンデンサと、
   前記外部コンデンサと前記蒸発器とを連結する前記冷媒ラインに備えられる膨張バルブと、
   前記内部コンデンサと前記外部コンデンサとの間における前記冷媒ラインに備えられる第２バルブを介して、前記外部コンデンサと前記膨張バルブとの間の前記冷媒ラインに連結される廃熱回収ラインとを含むことを特徴とする請求項１に記載の車両用ヒートポンプシステム。
3. 前記バッテリ冷却ラインには、
   前記ラジエータと前記チラーとの間で前記モータおよび前記電装品を連結する前記冷却ラインと前記バッテリ冷却ラインとを連結する第３バルブが備えられることを特徴とする請求項２に記載の車両用ヒートポンプシステム。
4. 車両の冷房モードで前記バッテリモジュールを冷却する場合には、
   前記第１バルブの作動により前記第１連結ラインが開放されて前記バッテリ冷却ラインに連結され、
   前記電磁式膨張バルブの作動により前記第２連結ラインが開放され、
   前記膨張バルブの作動により前記外部コンデンサと前記蒸発器とを連結する前記冷媒ラインが開放され、
   前記第２バルブの作動により前記廃熱回収ラインは閉鎖され、
   前記第１、および第３バルブの作動により前記バッテリ冷却ラインと前記冷却ラインとが連結されていない状態で、前記バッテリ冷却ラインと前記冷却ラインがそれぞれ閉鎖された回路を形成することを特徴とする請求項３に記載の車両用ヒートポンプシステム。
5. 前記電磁式膨張バルブは、
   前記第２連結ラインに流入する冷媒を膨張させて前記チラーに流入させることを特徴とする請求項４に記載の車両用ヒートポンプシステム。
6. 車両の冷房モードの非作動時に冷媒を用いて前記バッテリモジュールを冷却する場合には、
   前記第１バルブと前記電磁式膨張バルブの作動により前記第１、および第２連結ラインが開放され、
   前記電磁式膨張バルブが前記第２連結ラインに流入する冷媒を膨張させて前記チラーに流入させ、
   前記膨張バルブの作動が中断されて前記蒸発器に連結される前記冷媒ラインが閉鎖され、
   前記第２バルブの作動により前記廃熱回収ラインは閉鎖され、
   前記第１、および第３バルブの作動により前記バッテリ冷却ラインと前記冷却ラインとが連結されていない状態で、前記バッテリ冷却ラインと前記冷却ラインがそれぞれ閉鎖された回路を形成することを特徴とする請求項３に記載の車両用ヒートポンプシステム。
7. 車両の暖房モードで前記バッテリモジュール、前記モータ、および前記電装品の廃熱を回収する場合には、
   前記第１バルブと前記電磁式膨張バルブの作動により前記第１および第２連結ラインが開放され、
   前記膨張バルブの作動が中断されて前記蒸発器に連結される前記冷媒ラインが閉鎖され、
   前記第２バルブの作動により前記外部コンデンサに連結される冷媒ラインは閉鎖され、前記廃熱回収ラインは開放され、
   前記第１、および第３バルブの作動により前記バッテリ冷却ラインと前記冷却ラインとが相互連結された１つの回路を形成することを特徴とする請求項３に記載の車両用ヒートポンプシステム。
8. 前記電磁式膨張バルブは、
   前記第２連結ラインに流入する冷媒を膨張させず、前記チラーに流入させることを特徴とする請求項７に記載の車両用ヒートポンプシステム。
9. 車両の暖房モードで前記バッテリモジュール、前記モータ、および前記電装品の廃熱を回収する場合、
   前記チラーは、前記第１連結ラインを介して前記バッテリモジュール、前記モータ、および前記電装品に並列に連結されることを特徴とする請求項７に記載の車両用ヒートポンプシステム。
10. 前記モータ、および前記電装品を連結する前記冷却ラインは、
    前記第１バルブと前記第２バルブの作動により前記第１連結ラインに選択的に連結されることを特徴とする請求項７に記載の車両用ヒートポンプシステム。
11. 前記冷却ラインには、前記ラジエータと前記第３バルブとの間にリザーバタンクが備えられることを特徴とする請求項３に記載の車両用ヒートポンプシステム。
12. 前記第１バルブと前記チラーとの間における前記第１連結ラインには、第４バルブが備えられることを特徴とする請求項１１に記載の車両用ヒートポンプシステム。
13. 前記第４バルブは、
    チェックバルブであることを特徴とする請求項１２に記載の車両用ヒートポンプシステム。
14. 前記第１、第２、および第３バルブは、
    流量の分配が可能な３−Ｗａｙバルブであることを特徴とする請求項３に記載の車両用ヒートポンプシステム。
15. 前記チラーと前記バッテリモジュールとの間における前記バッテリ冷却ラインには、第２ウォータポンプが備えられることを特徴とする請求項１に記載の車両用ヒートポンプシステム。
16. 前記バッテリモジュールと前記チラーとの間における前記バッテリ冷却ラインには、加熱器が備えられることを特徴とする請求項１に記載の車両用ヒートポンプシステム。
17. 前記加熱器は、
    前記バッテリモジュールのウォームアップ時にＯＮ作動し、前記バッテリ冷却ラインで循環する冷却水を加熱して前記バッテリモジュールに流入させることを特徴とする請求項１６に記載の車両用ヒートポンプシステム。
18. 前記加熱器は、
    車両の暖房モードで選択的にＯＮ作動し、前記バッテリ冷却ラインで循環する冷却水を加熱することを特徴とする請求項１６に記載の車両用ヒートポンプシステム。

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