JP6909889B2 - 電気自動車用ヒートポンプシステム及びその制御方法 - Google Patents
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Description
本発明は、韓国特許出願第10−2019−0053987号(出願日:2019年5月8日)に基づくパリ条約4条の優先権主張を伴ったものであり、当該韓国特許出願に開示された内容に基づくものである。参考のために、当該韓国特許出願の明細書及び図面の内容は本願明細書の一部に包摂されるものである。
〔本発明〕
本発明は、電気自動車用ヒートポンプシステム及びその制御方法に関するものである。
しかし、従来の電気自動車用ヒートポンプシステムには、以下のような問題がある。
これに関した先行技術文献情報は、以下のようである。
本発明の一の態様は以下の通りである。
〔1〕 電気自動車用ヒートポンプシステムであって、
パワートレインモジュール及びバッテリーに冷却水が循環する冷却水ラインと、
圧縮機、室内熱交換器、室外熱交換器、及び複数の膨張弁に冷媒が循環する冷媒ラインと、
前記パワートレインモジュールを循環する冷却水ラインと前記複数の膨張弁のうち一つの一の膨張弁が、設置された冷媒ラインが熱交換されるように備えられたパワートレインチラーと、
前記バッテリーを循環する冷却水ラインと前記複数の膨張弁のうち一つの他の膨張弁が設置された冷媒ラインが熱交換されるように備えられたバッテリークーラーと、を備えてなる、電気自動車用ヒートポンプシステム。
〔2〕 前記複数の膨張弁は、
前記室外熱交換器に流入する冷媒を膨張させる室外膨張弁と、
前記室内熱交換器に流入する冷媒を膨張させる室内膨張弁とをさらに備えてなり、
前記パワートレインモジュール及び前記バッテリーのうち少なくとも何れか一つを循環する冷却水を冷媒蒸発の単独熱源として使用する第1廃熱回収モードにおいて、
前記室外膨張弁及び前記室内膨張弁は完全に閉鎖され、
前記一の膨張弁及び前記他の膨張弁のうち少なくとも何れか一つは開放される、〔1〕に記載の電気自動車用ヒートポンプシステム。
〔3〕 前記冷却水及び外気を冷媒蒸発の熱源として使用する第2廃熱回収モードにおいて、
前記室内膨張弁は完全に閉鎖され、
前記室外膨張弁は開放され、
前記一の膨張弁及び前記他の膨張弁のうち少なくとも何れか一つは開放される、〔2〕に記載の電気自動車用ヒートポンプシステム。
〔4〕 前記第1廃熱回収モード及び前記第2廃熱回収モードは、
前記冷却水の温度が粘性力変化に基づいて規定される冷却水の基準温度より高い場合に作動する、〔3〕に記載の電気自動車用ヒートポンプシステム。
〔5〕 前記冷媒ラインは、
前記圧縮機から吐出された冷媒の流動方向を転換できる四方弁と、
前記四方弁から内部空間を有する補助熱交換器に延長されるアキュム配管と、
前記室外熱交換器から延長される室外配管と、
前記室内熱交換器から延長される室内配管と、
前記室外配管から分岐し、前記室内配管の室内分岐点まで延長される流動配管と、
前記流動配管から分岐し、前記補助熱交換器に延長される第1補助配管と、
前記第1補助配管と連結され、前記内部空間に満たされた冷媒と熱交換された冷媒が前記補助熱交換器から排出されるようにガイドする第2補助配管と、を備えてなる、〔1〕〜〔4〕の何れか一項に記載の電気自動車用ヒートポンプシステム。
〔6〕 前記冷媒ラインは、
前記室外配管の分岐点から前記流動配管の分岐点に冷媒流動を許容するように前記流動配管に設置される第1流動弁と、
前記室内分岐点から前記流動配管の分岐点に冷媒流動を許容するように前記流動配管に設置される第2流動弁とをさらに備えてなる、〔5〕に記載の電気自動車用ヒートポンプシステム。
〔7〕 前記冷媒ラインは、一端部に前記室外配管が結合され、及び、他端部に前記第2補助配管が結合された共通配管をさらに備えてなる、〔5〕又は〔6〕に記載の電気自動車用ヒートポンプシステム。
〔8〕 前記冷媒ラインは、
前記共通配管の一端部で前記室外配管と分岐し、前記パワートレインチラーに延長されるチラー配管と、
前記パワートレインチラーから前記アキュム配管に延長され、前記パワートレインチラーで前記冷却水と熱交換された冷媒をガイドするチラー回収配管とをさらに備えてなる、〔7〕に記載の電気自動車用ヒートポンプシステム。
〔9〕 前記室内熱交換器に送風を提供する室内ファンと、
発熱するヒーターと、
前記ヒーターに冷却水が循環するようにガイドするヒーターラインと、
前記ヒーターラインに設置され、前記ヒーターを通過した冷却水によって熱せられるヒーターコアと、を備えてなり、
前記室内ファンの送風によって前記室内熱交換器を通過した室内空気は、前記ヒーターコアを通過して再び室内に吐出される、〔1〕〜〔8〕の何れか一項に記載の電気自動車用ヒートポンプシステム。
〔10〕 電気自動車用ヒートポンプシステムの制御方法であって、
電気自動車用ヒートポンプシステムが、
圧縮機と、
室内熱交換器と、
室外熱交換器及び複数の膨張弁に冷媒が循環する冷媒ラインと、
パワートレインモジュール及びバッテリーに冷却水が循環する冷却水ラインと、
前記冷却水ラインと前記冷媒ラインが熱交換されるように備えられるパワートレインチラーと、
バッテリークーラーと、及び
複数の感知センサーを備えてなり、
ユーザが入力するユーザ設定温度、前記複数の感知センサーによって感知される室外温度、室内温度、在室人員、及び内部日射量に基づいて、室内に吐出される空気の目標温度を計算するステップと、
前記計算された目標温度及び前記室外温度に基づいて、換気モード、冷房モード、及び暖房モードのうち何れか一つの運転モードを判断するステップと、
前記暖房モードと判断した場合、前記パワートレインチラー及び前記バッテリークーラーのうち少なくとも何れか一つから冷媒を蒸発させる廃熱回収モードを判断するステップと、を含んでなる、電気自動車用ヒートポンプシステムの制御方法。
〔11〕 前記廃熱回収モードを判断するステップは、
前記複数の感知センサーによって感知される冷却水の温度が、粘性力の変化に基づいて規定される冷却水の基準温度より高か否かを判断するステップを含んでなる、〔10〕に記載の電気自動車用ヒートポンプシステムの制御方法。
〔12〕 前記廃熱回収モードを判断するステップは、
冷却水の温度が冷却水の基準温度より高い場合、前記室外温度が前記冷却水の氷点より高いか否かを判断するステップをさらに含んでなる、〔10〕又は〔11〕に記載の電気自動車用ヒートポンプシステムの制御方法。
〔13〕 前記冷却水の温度が前記冷却水の基準温度より低い場合、室外熱交換器から冷媒を蒸発させる一般暖房モードで作動するステップをさらに含んでなる、〔10〕〜〔12〕の何れか一項に記載の電気自動車用ヒートポンプシステムの制御方法。
〔14〕 前記冷却水の基準温度は、前記冷却水の粘性力が常温における粘性力に対し10%増加する温度に設定される、〔11〕〜〔13〕の何れか一項に記載の電気自動車用ヒートポンプシステムの制御方法。
〔15〕 前記室外温度が前記冷却水の氷点より高い場合、前記冷却水のみを冷媒蒸発の熱源として使用する単独熱源廃熱回収モードで作動し、
前記室外温度が前記冷却水の氷点より低い場合、前記冷却水及び外気を冷媒蒸発の熱源として使用する二重熱源廃熱回収モードで作動する、〔12〕〜〔14〕の何れか一項に記載の電気自動車用ヒートポンプシステムの制御方法。
また、前記流動配管には、互いに冷媒の流動許容方向を逆にする流動弁が設置される。
そして、前記流動弁は、逆止弁を含むことができる。
また、前記室内分岐点と前記第2補助配管との間に位置するように前記室内配管に設置される室内膨張弁をさらに含むことができる。
また、前記チラー回収配管に設置されるチラーバルブをさらに含むことができる。
また、前記パワートレインラインには、前記チラーラインと前記ラジエーターラインがそれぞれ連結されるパワートレインバルブが設置される。
また、前記バッテリーラインに設置されて冷却水の循環を制御するバッテリーポンプをさらに含むことができる。
また、前記冷却水の基準温度は、前記冷却水の粘性力が常温における粘性力に対し10%増加する温度に設定される。
また、アキュムレータの機能が統合された補助熱交換器によって、ヒートポンプシステムを軽量化することができる長所がある。
また、前記過冷却度の増加は、蒸発区間の潜熱を相対的に多く確保できるようにするので、蒸発過程で吸収熱量が増加する長所がある。
即ち、前記パワートレインライン11は、前記パワートレインモジュール10に冷却水が循環するようにガイドすることができる。
前記流動配管120は、凝縮冷媒が合岐される流動分岐点123を含むことができる。
ここで、前記補助分岐点145は、前記室内熱交換器35と前記共通配管150の間に位置することができる。
前記チラーバルブ164は、電磁弁(Solenoid valve)を含むことができる。
図3は、本発明の実施例に係る補助熱交換器の構成を示す図面である。
前記補助熱交換器200は、凝縮冷媒を過冷却するための冷媒の間の熱交換を行うことができる。
一方、前記凝縮冷媒の過冷却度の増加は、過熱度を増加させる短所がある。
前記室内熱交換器35を通過した凝縮冷媒は、前記室内膨張弁135が閉鎖された状態であるので、前記流動配管120に流入することができる。
図8は、本発明の実施例に係る電気自動車用ヒートポンプシステムの第1廃熱回収モードにおいて、作動流体の流れを示す図面である。
前記膨張した冷媒は、前記パワートレインチラー15に流入して前記パワートレインモジュール10の熱を吸収した高温の冷却水と熱交換される。
上述したように、前記過冷却度の増加は、前記過熱度(superheat)の増加を招く限界がある。
図12は、本発明の実施例に係る補助熱交換器の有無に応じて、冷媒質量の流量及び蒸発器のエンタルピーの差を比較した実験グラフである。
ここで、暖房能力は、蒸発過程で吸収した熱量に圧縮機消費電力(または消費動力)の和と定義することができる。
具体的に、本発明の実施例に係るヒートポンプ1は、上述した吐出圧力(PD2)の減少に起因して消費電力(W2)を減少させることができる。
また、上述した蒸発器の吸収熱量の増加及び圧縮機の消費動力の減少は、暖房性能係数(COP)を向上させることができる。
図16は、本発明の実施例に係る電気自動車用ヒートポンプシステムの運転モードを判断するための制御方法を示すフローチャートである。
前記ユーザ設定温度は、前記室内コントローラ39を利用してユーザが直接所望の温度に設定することができる。
図17は本発明の実施例に係る暖房モードの制御方法を示すフローチャートであり、図18は温度に応じた冷却水の粘性変化を示す実験グラフである。
前記冷却水の基準温度について詳しく説明する。
前記動粘性係数は、密度に対する粘性係数の比で定義される。そして、粘性力は前記粘性係数に比例する。
ここで、冷却水の氷点は0℃に設定される。
Claims (12)
- 電気自動車用ヒートポンプシステムであって、
パワートレインモジュールに冷却水を循環させるパワートレインライン及びバッテリーに冷却水を循環させるバッテリーラインを備える冷却水ラインと、
圧縮機、室内熱交換器、室外熱交換器、及び複数の膨張弁に冷媒が循環する冷媒ラインと、
前記パワートレインラインと前記複数の膨張弁のうち一つの一の膨張弁が、設置された冷媒ラインが熱交換されるように備えられたパワートレインチラーと、
前記バッテリーラインと前記複数の膨張弁のうち一つの他の膨張弁が設置された冷媒ラインが熱交換されるように備えられたバッテリークーラーと、
前記冷媒ライン及び前記冷却水ラインに設置される複数の感知センサーと、
前記複数の感知センサーによって感知された情報に基づいて運転モードを制御する制御部と、を備えてなり、
前記制御部は、前記複数の感知センサーによって感知される冷却水の温度と粘性力変化に基づいて規定される冷却水の基準温度を比較した結果に応じて、前記複数の感知センサーによって感知される室外温度と前記冷却水の氷点を比較して、前記パワートレインチラー及び前記バッテリークーラーのうち少なくとも何れか一つから前記冷媒が蒸発されるように制御する、電気自動車用ヒートポンプシステム。 - 前記複数の膨張弁は、
前記室外熱交換器に流入する冷媒を膨張させる室外膨張弁と、
前記室内熱交換器に流入する冷媒を膨張させる室内膨張弁と、を更に備えてなり、
前記パワートレインモジュール及び前記バッテリーのうち少なくとも何れか一つを循環する冷却水を冷媒蒸発の単独熱源として使用する第1廃熱回収モードにおいて、
前記室外膨張弁及び前記室内膨張弁は完全に閉鎖され、
前記一の膨張弁及び前記他の膨張弁のうち少なくとも何れか一つは開放される、請求項1に記載の電気自動車用ヒートポンプシステム。 - 前記冷却水及び外気を冷媒蒸発の熱源として使用する第2廃熱回収モードにおいて、
前記室内膨張弁は完全に閉鎖され、
前記室外膨張弁は開放され、
前記一の膨張弁及び前記他の膨張弁のうち少なくとも何れか一つは開放される、請求項2に記載の電気自動車用ヒートポンプシステム。 - 前記冷媒ラインは、
前記圧縮機から吐出された冷媒の流動方向を転換できる四方弁と、
前記四方弁から内部空間を有する補助熱交換器に延長されるアキュム配管と、
前記室外熱交換器から延長される室外配管と、
前記室内熱交換器から延長される室内配管と、
前記室外配管から分岐し、前記室内配管の室内分岐点まで延長される流動配管と、
前記流動配管から分岐し、前記補助熱交換器に延長される第1補助配管と、
前記第1補助配管と連結され、前記内部空間に満たされた冷媒と熱交換された冷媒が前記補助熱交換器から排出されるようにガイドする第2補助配管と、を備えてなる、請求項1〜3の何れか一項に記載の電気自動車用ヒートポンプシステム。 - 前記冷媒ラインは、
前記室外配管の分岐点から前記流動配管の分岐点に冷媒流動を許容するように前記流動配管に設置される第1流動弁と、
前記室内分岐点から前記流動配管の分岐点に冷媒流動を許容するように前記流動配管に設置される第2流動弁とを更に備えてなる、請求項4に記載の電気自動車用ヒートポンプシステム。 - 前記冷媒ラインは、一端部に前記室外配管が結合され、及び、他端部に前記第2補助配管が結合された共通配管を更に備えてなる、請求項4又は5に記載の電気自動車用ヒートポンプシステム。
- 前記冷媒ラインは、
前記共通配管の一端部で前記室外配管と分岐し、前記パワートレインチラーに延長されるチラー配管と、
前記パワートレインチラーから前記アキュム配管に延長され、前記パワートレインチラーで前記冷却水と熱交換された冷媒をガイドするチラー回収配管とを更に備えてなる、請求項6に記載の電気自動車用ヒートポンプシステム。 - 前記室内熱交換器に送風を提供する室内ファンと、
発熱するヒーターと、
前記ヒーターに冷却水が循環するようにガイドするヒーターラインと、
前記ヒーターラインに設置され、前記ヒーターを通過した冷却水によって熱せられるヒーターコアと、を備えてなり、
前記室内ファンの送風によって前記室内熱交換器を通過した室内空気は、前記ヒーターコアを通過して再び室内に吐出される、請求項1〜7の何れか一項に記載の電気自動車用ヒートポンプシステム。 - 電気自動車用ヒートポンプシステムの制御方法であって、
電気自動車用ヒートポンプシステムが、
圧縮機と、
室内熱交換器と、
室外熱交換器及び複数の膨張弁に冷媒が循環する冷媒ラインと、
パワートレインモジュールに冷却水を循環させるパワートレインライン及びバッテリーに冷却水を循環させるバッテリーラインを備える冷却水ラインと、
前記冷却水ラインと前記冷媒ラインが熱交換されるように備えられるパワートレインチラーと、
バッテリークーラーと、
前記冷媒ライン及び前記冷却水ラインに設置される複数の感知センサーと、を備えてなり、
ユーザが入力するユーザ設定温度、前記複数の感知センサーによって感知される室外温度、室内温度、在室人員、及び内部日射量に基づいて、室内に吐出される空気の目標温度を計算するステップと、
前記計算された目標温度及び前記室外温度に基づいて、換気モード、冷房モード、及び暖房モードのうち何れか一つの運転モードを判断するステップと、
前記暖房モードと判断した場合、前記パワートレインチラー及び前記バッテリークーラーのうち少なくとも何れか一つから冷媒を蒸発させる廃熱回収モードを判断するステップと、を含んでなり、
前記廃熱回収モードを判断するステップは、
前記複数の感知センサーによって感知される冷却水の温度が、粘性力の変化に基づいて規定される冷却水の基準温度より高いのか否かを判断するステップと、
前記冷却水の温度が前記冷却水の基準温度より高い場合、前記室外温度が前記冷却水の氷点より高いのか否かを判断するステップと、を含んでなる、電気自動車用ヒートポンプシステムの制御方法。 - 前記冷却水の温度が前記冷却水の基準温度より低い場合、室外熱交換器から冷媒を蒸発させる一般暖房モードで作動するステップを更に含んでなる、請求項9に記載の電気自動車用ヒートポンプシステムの制御方法。
- 前記冷却水の基準温度は、前記冷却水の粘性力が常温における粘性力に対し10%増加する温度に設定される、請求項9に記載の電気自動車用ヒートポンプシステムの制御方法。
- 前記室外温度が前記冷却水の氷点より高い場合、前記冷却水のみを冷媒蒸発の熱源として使用する単独熱源廃熱回収モードで作動し、
前記室外温度が前記冷却水の氷点より低い場合、前記冷却水及び外気を冷媒蒸発の熱源として使用する二重熱源廃熱回収モードで作動する、請求項9に記載の電気自動車用ヒートポンプシステムの制御方法。
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