KR101195077B1 - 이중 방식의 냉각제 배관을 가진 열관리 시스템 - Google Patents

이중 방식의 냉각제 배관을 가진 열관리 시스템 Download PDF

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앤드류 데이비드 바글리노
스콧 아이라 콘
비니트 하레시 메타
크리스토퍼 데이비드 가다
커트 레이몬드 오도넬
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테슬라 모터스, 인크.
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Abstract

차량에 사용하기 위한 이중 방식의 열관리 시스템을 제공한다. 최소한, 상기 시스템은 배터리 시스템과 열교환하는 제 1 냉각제 배관, 적어도 하나의 구동렬 부품(예컨대, 전기 모터, 전련 전자부품, 인버터)과 열교환하는 제 2 냉각제 배관, 및 두 개의 냉각제 배관이 병행하여 작동하는 제 1 방식과 두 개의 냉각제 배관이 연속해서 작동하는 제 2 방식 중에서 선택하는 수단을 제공하는 이중 방식의 밸브 시스템을 포함한다.

Description

이중 방식의 냉각제 배관을 가진 열관리 시스템{THERMAL MANAGEMENT SYSTEM WITH DUAL MODE COOLANT LOOPS}
본 발명은 일반적으로 열제어 시스템에 관한 것으로, 특히 환경 조건 및 부품 운전 특성에 의존하여 열 및 성능 최적화를 허용하는 차량용 열관리 구조에 관한 것이다.
세계적으로 매우 높은 비율의 차량이 내연 기관을 사용하여 휘발류로 가동된다. 이러한 차량, 특히 화석 연료, 즉 휘발류에 의존하는 차량을 사용하게 되면, 두 가지 문제가 발생한다. 첫째로, 상기 연료의 제한된 매장량 및 입수 가능한 지역적 한계로 인해, 휘발류 원가의 상당한 가격 변동 및 일반적인 가격 상승 기조는 통상적인 것이며, 소비자 수준에서는 상당한 영향을 미칠 수 있다. 둘째로, 화석 연료의 연소는 이산화탄소, 온실 가스의 주된 출처 중 하나이고, 또한 그에 따라 지구 온난화의 주된 요인 중 하나가 된다. 따라서, 개인용 및 상업용 차량에서 사용하기 위한 대체 가능한 구동 장치를 찾기 위해 상당한 노력을 하고 있다.
내연 구동렬(internal combustion drive train)을 사용하는 차량에 대한 가장 유망한 대안 중 하나가 전기 차량이다. 효율적인 전기 구동렬 뿐만 아니라 "사용하기 쉬운" 차량을 설계하는데 수반되는 주된 쟁점 중 하나가 열관리이며, 이것은 무엇보다도 배터리 셀에 필요한 운전 조건과, 객실 내에 필요한 가온 및 냉방을 제공하기 위한 수요에 기인한다. 결과적으로, 다수의 전기 및 하이브리드 차량에 사용되는 열관리 시스템은 제한된 성능을 가지는 한편, 지나치게 복잡하다. 예를 들어, 초창기 전기 차량은 대개 다수의 독립적인 열관리 서브시스템을 사용한다. 이러한 접근 방식은, 각각의 서브시스템이 자체의 부품(예컨대, 펌프, 밸브, 냉각 시스템 등)을 필요로 하기 때문에, 본질적으로 비효율적이다.
독립적인 열관리 서브시스템의 사용과 연관된 몇가지 문제점을 극복하기 위해, 미국특허 제6,360,835호 및 관련 미국특허 제6,394,207호는 동일한 열전달 매체를 공유하는 다수의 열전달 회로를 이용하는 열관리 시스템을 개시하고 있다. 열전달 회로들은 서로 유체 연통되어 있기 때문에, 고온의 열전달 매체를 고온 회로로부터 저온 회로에 흐르게 하고, 저온의 열전달 매체를 저온 회로로부터 고온 회로에 흐르게 한다. 이 시스템이 이전의 시스템의 몇가지 한계를 극복하고 있기는 하지만, 두 가지의 열전달 회로의 상호작용으로 인해 여전히 상대적으로 복잡하다.
동시 계류 중인 미국특허출원 제11/786,108호에 개시된 교대형 열제어 시스템에는, 다수의 냉각 배관 및 단일의 열교환기를 이용하는 효율적인 냉각 시스템이 개시되어 있다. 적어도 하나의 개시된 실시예에서의 냉각 배관은 배터리 시스템과 연관된 냉각 배관, HVAC 시스템과 연관된 냉각 배관, 및 구동 시스템(예컨대, 모터)과 연관된 냉각 배관을 포함한다.
종래 기술이 전기 차량의 모터 및/또는 배터리를 냉각하기 위한 다수의 기술을 개시하고 있지만, 상기와 같은 냉각을 차량의 객실 HVAC 시스템에 결합하는 몇가지 경우에는, 추가적인 시스템 간이화 및 시스템 효율 개선이 바람직하다. 본 발명은 이러한 열관리 시스템을 제공한다.
본 발명은 이중 방식의 차량(예컨대, 전기 차량)용 열관리 시스템을 제공한다. 최소한, 본 시스템은, 배터리와 열교환하는 제 1 냉각제 배관, 적어도 하나의 구동렬 부품(예컨대, 전기 모터, 전력 전자부품, 인버터)과 열교환하는 제 2 냉각제 배관, 및 두 개의 냉각제 배관이 병행하여 작동하는 제 1 방식과 두 개의 냉각제 배관이 연속하여 작동하는 제 2 방식을 선택하기 위한 수단을 제공하는 이중 방식의 밸브 시스템을 포함한다. 이중 방식의 밸브 시스템은, 제 1 방식에서는 밸브 입구 A가 밸브 출구 A에 연결되고 밸브 입구 B가 밸브 출구 B에 연결되는 한편, 제 2 방식에서는 밸브 입구 A가 밸브 출구 B에 연결되고 밸브 입구 B가 밸브 출구 A에 연결되도록 구성된 4웨이(four-way) 밸브로 이루어질 수 있다. 이중 방식의 밸브 시스템은, 제 1 방식에서는 제 1 냉각제 배관의 제 1 부분이 제 1 냉각제 배관의 제 2 부분에 연결되고 제 2 냉각제 배관의 제 1 부분이 제 2 냉각제 배관의 제 2 부분에 연결되는 한편, 제 2 방식에서는 제 1 냉각제 배관의 제 1 부분이 제 2 냉각제 배관의 제 2 부분에 연결되고 제 2 냉각제 배관의 제 1 부분이 제 1 냉각제 배관의 제 2 부분에 연결되도록 구성된 4웨이 밸브로 이루어질 수 있다. 이중 방식의 밸브 시스템은, 그 이중 방식의 밸브 시스템이 제 1 방식으로 배열될 경우에는 제 1의 3웨이 밸브가 제 1 냉각제 배관의 제 1 부분을 제 1 냉각제 배관의 제 2 부분에 연결하고, 그 이중 방식의 밸브 시스템이 제 1 방식으로 배열될 경우에는 제 2의 3웨이 밸브가 제 2 냉각제 배관의 제 1 부분을 제 2 냉각제 배관의 제 2 부분에 연결하는 한편, 그 이중 방식의 밸브 시스템이 제 2 방식으로 배열될 경우에는 제 1의 3웨이 밸브가 제 1 냉각제 배관의 제 1 부분을 제 2 냉각제 배관의 제 2 부분에 연결하고, 그 이중 방식의 밸브 시스템이 제 2 방식으로 배열될 경우에는 제 2의 3웨이 밸브가 제 2 냉각제 배관의 제 1 부분을 제 1 냉각제 배관의 제 2 부분에 연결하도록 구성된 한쌍의 3웨이 밸브로 이루어질 수 있다. 상기 시스템은 예컨대, 열교환기를 사용하여 제 1 냉각제 배관과 열교환하는 냉각 서브시스템을 포함할 수 있으며, 상기 냉각 서브시스템은 예컨대, 냉매제(refrigerant), 압축기, 콘덴서 및 열팽창 밸브를 포함한다. 상기 시스템은 제 1 냉각제 배관과 열교환하는 히터를 포함할 수 있다. 상기 시스템은 제 2 냉각제 배관과 열교환하는 차저(charger)를 포함할 수 있다. 상기 제 2 냉각제 배관은 예컨대, 바이패스 밸브를 사용하여 제 2 냉각제 배관에 연결되는 라디에이터를 포함할 수 있으며, 상기 바이패스 밸브에 의해 제 2 냉각제 배관이 라디에이터에 대하여 연결 또는 분리되게 된다. 상기 시스템은 열교환기를 통해 제 1 냉각제 배관과 열교환하는 냉각 서브시스템과, 그 냉각 서브시스템에 연결 가능한 객실 HVAC 시스템을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 있어서, 전기 차량 내의 열부하를 관리하는 방법이 제공되고, 상기 방법은 구동렬 냉각제 배관 및 배터리 냉각제 배관을 통해 냉각제를 순환시키는 제 1 방식 및 제 2 방식을 선택하는 단계를 포함하고, 제 1 방식에서는 구동렬 냉각제 배관과 배터리 냉각제 배관에서 병행하여 냉각제가 순환되고, 제 2 방식에서는 구동렬 냉각제 배관과 배터리 냉각제 배관을 통해 연속해서 냉각제가 순환된다. 제 1 방식에서는, 상기 방법은 구동렬 냉각제 배관의 제 1 부분을 구동렬 냉각제 배관의 제 2 부분에 연결하는 단계 및 배터리 냉각제 배관의 제 1 부분을 배터리 냉각제 배관의 제 2 부분에 연결하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 제 2 방식에서는, 상기 방법은 구동렬 냉각제 배관의 제 1 부분을 배터리 냉각제 배관의 제 2 부분에 연결하는 단계 및 배터리 냉각제 배관의 제 1 부분을 구동렬 냉각제 배관의 제 2 부분에 연결하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 방식을 선택하는 단계는 4웨이 밸브 또는 한쌍의 3웨이 밸브를 이용할 수 있다. 상기 방법은 차저를 구동렬 냉각제 배관에 열적으로 연결하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 방법은 추가적인 배터리 냉각이 요구될 경우에 냉각 서브시스템을 배터리 냉각제 배관에 열적으로 연결하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 방법은 추가적인 배터리 가열이 요구될 경우에 히터를 배터리 냉각제 배관에 열적으로 연결하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 방법은 추가적인 구동렬 냉각이 요구될 경우에 예컨대, 바이패스 밸브를 사용하여 구동렬 냉각제 배관을 라디에이터에 연결하는 단계를 더 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 열관리 시스템에 사용되는 다양한 서브시스템의 상위 수준의 도면.
도 2는 구동렬 서브시스템 및 배터리 서브시스템이 병행하여 작동하는 열관리 시스템의 구조의 바람직한 실시예를 도시하는 도면.
도 3은 도 2에 도시된 실시예에서 구동렬 서브시스템과 배터리 서브시스템이 연속해서 작동하도록 배열된 것을 도시하는 도면.
도 4는 도 2에 도시된 실시예에서 작동 방식을 전환하기 위해 단일의 4웨이 밸브를 대신하여 두 개의 3웨이 밸브로 변경한 것을 도시하는 도면.
도 5는 도 3에 도시된 실시예에서 작동 방식을 전환하기 위해 단일의 4웨이 밸브를 대신하여 두 개의 3웨이 밸브로 변경한 것을 도시하는 도면.
본 발명의 특징 및 장점은 명세서의 나머지 부분 및 첨부도면을 참조로 더 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
하기의 문장에서, "배터리(battery)", "셀(cell)", 및 "배터리 셀(battery cell)"이라는 용어는 호환되어 사용될 수 있으며, 리튬 이온(예컨대, 인산철리튬, 리튬 코발트 산화물, 다른 리튬 금속 산화물 등), 리튬 이온 폴리머, 니켈 금속 수소화물, 니켈 카드뮴, 니켈 수소, 니켈 아연, 또는 다른 배터리 타입/배열을 포함하는 다양한 여러 셀 타입, 화학구조 및 배열 중 어느 하나를 의미할 수 있지만, 그것에 한정되는 것은 아니다. 본원에서 사용되는 "배터리 팩(battery pack)"이라는 용어는 일체형 또는 조립식 하우징에 내포된 다수의 개별 배터리를 의미하고, 개별 배터리들은 특정 분야에 대하여 필요한 전압 및 용량을 달성하도록 전기적으로 상호접속된다. "배터리(battery)" 및 "배터리 시스템(battery system)"이라는 용어는 호환되어 사용될 수 있으며, 본원에서는 배터리, 배터리 팩, 커패시터 또는 수퍼커패시터와 같이 충전 및 방전되는 능력을 갖는 전기 에너지 축전 시스템을 의미한다. "냉각 서브시스템(refrigeration subsystem)" 및 "쿨링 서브시스템(cooling subsystem)"이라는 용어는 호환되어 사용될 수 있으며, 다른 시스템 부품 및 서브시스템을 냉각하는데 사용될 수 있는 다양한 여러 타입의 냉각/쿨링 서브시스템 중 어느 하나를 의미한다. 본원에서 사용되는 "전기 차량(electric vehicle)"이라는 용어는, EV로서 인용되기도 하는 모든 전기 차량, PHEV로서 인용되기도 하는 플러그인 하이브리드 차량, 또는 하이브리드 차량(HEV), 전기 구동 시스템을 포함하는 다수의 추진원을 이용하는 하이브리드 차량을 의미한다. 다수의 도면에 사용된 동일한 요소 부호는 동일한 구성요소, 또는 동등한 기능의 구성요소를 의미하는 것이라는 점을 이해해야 한다. 또한, 첨부도면은 발명의 범위를 도시하는 것일뿐 제한하는 것은 아니며, 축적으로 간주되어서는 안된다.
도 1은 통상적인 전기 차량의 열관리 시스템(100) 내의 기본적인 서브시스템들을 도시하는 상위 수준의 도면이다. 일반적으로, 이러한 차량의 열관리 시스템은 냉각 서브시스템(101), 객실 서브시스템(103), 구동렬 서브시스템(105), 및 배터리 서브시스템(107)을 포함한다. 열관리 시스템(100)은 제어 시스템(109)도 포함한다. 이들 서브시스템 각각의 추가적인 상세는 후술하며, 그 중 일부는 도 2 내지 도 5에 도시된 예시적인 실시예에 나타내질 수 있다.
냉각 서브시스템(101)은 필요할 때마다 하나 이상의 다른 열 서브시스템을 포함하는 시스템(100)에 열적으로 연결되도록 설계되어, 열적으로 연결된 서브시스템에서의 온도를 낮춘다. 본원에서는 쿨링 서브시스템으로서 인용되기도 하는 냉각 서브시스템(101)은 냉매제(예컨대, R134a) 압축 시스템, 열전기 쿨러, 또는 다른 수단을 이용할 수 있다. 도 2 내지 도 5에 도시된 바람직한 실시예에서, 냉각 서브시스템(101)은 서브시스템 내의 저온 냉매제 증기를 고온 증기로 압축하는 압축기(201)를 포함한다. 이후, 냉매제 증기는 콘덴서(203)를 통과할 때 포획된 열의 일부를 방산함으로써, 증기로부터 액체로의 상변화가 초래되고, 액체는 고온 및 고압을 유지한다. 바람직하게는, 콘덴서(203)의 성능은 송풍기 팬(205)을 사용함으로써 보강된다. 이후, 액상 냉매제는 응축된 냉매제로부터 수분을 제거하는 리시버-드라이어(receiver-dryer)(207)를 통과한다. 바람직한 실시예에서는, 도시된 바와 같이, 냉매제 라인(209)은 열팽창 밸브(213)를 통해 객실 증발기(211)에 연결되는 한편, 열팽창 밸브(217)를 통해 열교환기(215)(본원에서는 냉각기(chiller)로서 인용되기도 함)에 연결된다. 열팽창 밸브(213 및 217)는 각각 증발기(211) 및 냉각기(215) 내로의 냉매제의 유속을 제어한다.
가열, 환기 및 쿨링(HVAC) 서브시스템(103)은 통상적으로 복수의 덕트 및 통기공을 통해 차량 객실의 온도 제어를 제공한다. HVAC 서브시스템(103)은 가열된 공기이든, 냉각된 공기이든, 또는 차량 외부로부터의 신선한 공기이든 상관없이, 요구에 따라 객실 전체의 공기를 순환시키는데 사용되는 하나 이상의 팬(219)을 포함한다. 냉기를 제공하기 위해, 증발기(211)를 통해 냉매제가 순환된다. 정상적인 차량 운전 중에 온기를 제공하기 위해, HVAC 서브시스템(103)은 증발기(211) 내에 집적된 히터(221), 예컨대 PTC 히터를 이용할 수 있다. 도시하지 않았지만, 대체가능한 실시예에서는, HVAC 서브시스템(103)은 구동렬 서브시스템(105) 또는 배터리 서브시스템(109)으로부터 HVAC 서브시스템까지 열에너지를 전달하기 위한 열교환기와 같은 수단을 포함할 수 있다.
서브시스템(105)은 차량의 주 견인 모터인 구동 모터(225)를 냉각하는데 사용되는 연쇄 전동 장치 냉각 배관(223)으로 이루어진다. 단일의 구동 모터가 도시되어 있지만, 본 발명을 이용하는 EV는 단일의 구동 모터 이상의, 예컨대 차축마다, 차륜마다, 등의 구동 모터를 채용하도록 설계될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 바람직하게는, 냉각 배관(223)은 다른 차량 전자 부품, 예컨대 모터(225)의 전력 전자부품 모듈 및 인버터(227)에도 열적으로 연결된다. 상기 시스템이, 예컨대 외부 전원을 사용하여 재충전 가능한 배터리를 충전하는 차저(229)를 포함하면, 차저도 마찬가지로 냉각 배관(223)에 연결되는 것이 바람직하다. 선택적으로, 차저(229)는 배터리 시스템 냉각 배관에 연결될 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서는, 시스템 전자부품(예컨대, 전력 전자부품(227))은 그 전자부품으로부터 및 냉각 배관에 내포된 액체 냉각제(즉, 열전달 매체) 내로 열을 전달하는데 사용되는 방열판(cold plate)에 탑재된다. 냉각 배관(223)은 또한, 냉각 배관을 통해 냉각제를 순환시키는 펌프(231), 열을 대기에 배출하는 라디에이터(233), 및 냉각제 저장기(235A)를 포함한다. 또한, 상기 시스템은 예컨대, 차량이 주행하지 않을 때, 라디에이터를 통과하는 공기가 불충분한 경우에는, 원하는 수준의 냉각을 달성하기 위해 공기를 라디에이터(233)에 강제로 통과시키는 팬(237)을 포함하는 것이 바람직하다. 서브시스템(105)은 냉각제 배관(223)으로부터 라디에이터(233)를 분리시키는 밸브(239)(도시하지 않음)도 포함하는 것이 바람직하다. 밸브(239)의 위치는 도 2에 도시된 예시적인 실시예에서는 라디에이터(233)를 냉각제 배관(223)에 연결한다.
배터리 서브시스템(107)은 냉각제(즉, 열전달 매체)를 포함하는 냉각제 배관(243)에 연결된 배터리(들)(241)를 포함한다. 통상적인 전기 차량에서는, 배터리(241)는 복수의 배터리로 이루어진다. 하나 이상의 순환 펌프(245)는 통상적으로 배터리(들)와 열교환하는 열전달 플레이트 또는 하나 이상의 냉각제 도관(도시하지 않음)을 통해 배터리(들)(241)에 냉각제를 공급한다. 서브시스템(107)과 관련하여 전용의 냉각 서브시스템이 사용될 수 있지만, 열팽창 밸브(217)가 서브시스템(101)으로부터의 냉매제를 열교환기(215)를 통해 통과시킨다고 가정하면, 배관(243)에 내포된 냉각제는 열교환기(215) 내의 냉매제와의 열전달에 의해 냉각되는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 냉각 배관(243)은 히터(247)(예컨대, PTC 히터)에도 열적으로 연결되기 때문에, 배터리(들)(241)의 온도는 대기 온도와 상관없이 바람직한 작동 범위 내로 유지될 수 있게 된다. 서브시스템(107)은 냉각제 저장기(235B)도 포함한다. 바람직하게는, 냉각제 저장기(235A 및 235B)는 도시된 바와 같이 단일의, 이중 배관 저장기에 겸비된다.
일반적으로 개별 열관리 서브시스템의 작동을 제어하고, 특히 냉각 서브시스템(101)에 의해 다른 서브시스템에 공급된 냉각량을 제어하기 위해 제어 시스템(109)에 의해 사용될 수 있는 다수한 기술이 존재한다는 것을 이해해야 한다. 통상적으로, 제어 시스템(109)은 복수의 온도 검출기(도시하지 않음)를 사용해서 다양한 차량 부품(예컨대, 배터리(들)(241), 모터(225), 구동 전자부품(227), 등) 내의 온도, 냉각제 배관(예컨대, 냉각제 배관(223) 등)의 하나 이상의 구역에서의 온도, 및 객실 내의 하나 이상의 위치에서의 온도를 감시한다. 이들 다양한 위치에서 감시된 온도는 다양한 열관리 서브시스템의 작동을 결정하기 위해 제어 시스템(109)에 의해 사용된다. 객실 및 다양한 차량 부품의 감시된 온도 및 바람직한 온도 범위에 따라, 예컨대 냉각제 배관 내의 유량 밸브(도시하지 않음), 다양한 순환 펌프(예컨대, 펌프(231 및 245))의 공급 속도, 히터 작동(예컨대, 히터(221 및 247)), 및 송풍기 팬 작동(예컨대, 팬(205, 219, 237))에 의해, 각각의 서브시스템에 의해 적용된 가열량 및/또는 냉각량이 조절된다. 제어 시스템(109)은 프로세서에 의해 수행된 프로그래밍에 의거하여 자동으로 작동하거나, 시스템(109)은 수동으로 제어되거나, 시스템(109)은 수동 및 자동 제어의 조합을 사용할 수 있다.
냉매제 유량, 냉각제 유량 및 히터, 팬 등의 작동의 제어 이외에, 본 발명은 열관리 시스템의 전체 구성이 쉽고 빠르게 변경되게 함으로써, 차량의 서브시스템들 간에서 열에너지를 제어 및 전달하는 상이한 수단을 제공한다. 결과적으로, 본 발명의 열관리 시스템은 차량 부품의 열부하 및 필요조건의 변경 뿐만 아니라 환경 조건의 변경(예컨대, 대기 온도, 태양열 부하 등의 변화)에 대응하기 위해 정교하고 융통성 있는 방식을 제공한다. 본원에서 병렬 구조로서 인용되는, 도 2에 도시된 구성에 있어서, 구동렬 서브시스템(105)은, 냉각제 저장기(235A/B)의 챔버들을 접속하고 챔버들간의 일관된 냉각제 수준을 유지하는 작은 냉각제 통로(251)에 의해 제공되는 최소한의 열교환만으로, 배터리 서브시스템(107)과 관계없이 작동된다. 본 발명의 적어도 하나의 실시예에서는, 구동렬 서브시스템(105)과 배터리 서브시스템(107)은 별도의 냉각제 저장기를 이용할 수 있다는 점에 유의해야 한다.
도 3은 도 2에 도시된 바와 같은 열관리 시스템(200)을, 구동렬 서브시스템(105)과 배터리 서브시스템(107)을 연속 작동시키도록 재배열한 것을 도시한다. 시스템(200)에서, 이와 같은 열 구조의 변화는 밸브(249)를 재배치함으로써 달성된다. 본 발명의 이와 같은 바람직한 실시예에서, 밸브(249)는 4웨이 원통형, 버터플라이 또는 볼 밸브이다.
직렬 배열에서는, 구동 모터(들)(225) 및 관련 전자부품(예컨대, 구동 전자부품(227), 차저(229))에 열적으로 연결되는 냉각제 라인(223)을 통해 냉각제가 처음으로 공급된다. 구동렬 부품을 통과한 후에, 도 3에 도시된 바와 같이, 밸브(249)가 냉각제 라인(223)을 냉각제 라인(243)에 연결함으로써, 상기 유동하는 냉각제가, 도시된 바와 같이 구동렬 부품에 의해 가온된 후에 배터리(들)(241)를 통과하게 한다.
외부 환경 및 부품의 즉각적인 작동 특성에 의존하여 배터리 및 구동렬 냉각제 서브시스템을 직렬로 또는 병렬로 배치하는 능력으로 인해, 차량의 서브시스템의 열 및 성능 최적화가 가능해진다. 이러한 열 및 성능 최적화는 차례로 효율 개선 및 관련 작동 비용의 절감으로 이어진다는 것을 이해할 것이다.
제어 시스템(109)은, 바람직하게는 모두 시스템(109)에 의해 감시되는 차량 부품 및 주위 조건의 작동 특성에 의거하여 자동 제어 밸브(249)로 구성되는 것이 바람직하다. 서브시스템(105 및 107)을 직렬 또는 병렬로 작동시킬지에 대한 결정은 차내 에너지 사용, 시스템 열 반응 및 성능 작동 조건을 최적화하기 위해 이루어지는 것이 바람직하다. 이러한 직렬 및 병렬 작동을 위한 몇가지 예시적인 조건을 아래에 설명한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 서브시스템(105 및 107)을 직렬로 작동하게 되면, 다수의 작동 시나리오에 있어서 시스템 효율이 개선된다. 예를 들어:
- 예컨대, 밤새 또는 장기간에 걸쳐 차고에 입고되고 나서 차량이 냉각된 경우에, 직렬 작동은 냉각제가 배터리 시스템을 통과하기 전에 구동렬 부품에 의해 가열되게 한다. 재충전 가능한 배터리와 같은 다수의 에너지원은 바람직한 최소 작동 온도를 가지기 때문에, 이러한 구조는 구동렬 부품에 의해 발생된 열이 배터리를 가열하게 한다. 본 발명을 이용하는 차량의 적어도 하나의 실시예에서, 이러한 형태의 작동은 히터(247)의 배제를 가능하게 하기 때문에, 시스템 복잡성, 초기 비용 및 작동 비용이 경감된다. 본 발명을 이용하는 차량의 적어도 하나의 다른 실시예에서, 이러한 형태의 작동은 히터(247)의 사이즈 및 출력의 경감을 가능하게 하기 때문에, 초기 비용 및 작동 비용이 경감된다. 이러한 작동 방식은, 주위 온도가 낮아 배터리의 가열이 필요하거나, 차량이 주차되어 있어 배터리의 가열이 필요한 경우에는, 주행 중에 사용될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 이러한 방식에서, 냉각제의 온도 및 그에 따른 시스템의 효율은 냉각제를 배터리 시스템을 통해 유동하기 전에 라디에이터(233)를 통과시킬지의 여부를 선택하기 위한 밸브(239)를 사용하여 조절될 수 있다. 주위 온도가 구동렬 출구 온도를 초과하는 경우에는, 추가적인 주위 기류를 제공하여 더욱 가열하기 위해 팬(237)이 사용될 수 있다.
- 몇가지 상황에서는, 배터리 시스템은 효율적으로 충전되기에는 너무 냉각될 수 있다. 서브시스템을 직렬로 작동함으로써, 차저(229)에 의해 발생한 폐열이 패터리 팩을 통해 흐르게 됨으로써, 배터리가 가열되고, 경우에 따라 히터(247)에 의한 최소한의 보조 가열로 배터리가 효율적으로 충전되게 한다. 이러한 방식의 추가적인 이점은 작동 중에 차저(229)의 냉각에 대한 필요성을 제거하거나, 적어도 최소화한다는 점이다. 바람직하게는, 이러한 방식에서는, 차저와 배터리가 가열되기 때문에, 이들은 (필요에 따라) 냉각제를 라디에이터(233)에 통과시킴으로써 냉각될 수 있다. 추가적인 냉각을 제공하기 위해 팬(237)이 사용될 수 있다.
- 주위 온도가 상대적으로 낮은 경우에, 서브시스템을 직렬로 작동하게 되면, 구동렬 부품 및 배터리 시스템은 팬(237)의 작동에 무관하게 작동 온도 및 차량 속도에 의거하여 라디에이터(233)만을 사용하여 냉각되게 된다. 결과적으로, 배터리(들)(241)는 냉각 서브시스템(101)에 의해 냉각할 필요가 없다. 이 시점에 객실 냉각에 냉각 서브시스템이 필요치 않다고 가정하면, 이러한 작동 방식은 서브시스템(101)의 작동에 대한 필요성을 배제하여 작동 효율을 더욱 개선한다. 필요에 따라, 열교환기(215)를 통해 서브시스템(101)을 냉각함으로써 냉각제에 의한 냉각이 증가될 수 있다는 점에 유의해야 한다.
- 주위 온도가 극도로 높은 경우에, 또는 하나 이상의 차량 부품이 적합한 작동 온도 이상에서 작동하는 경우에는, 직렬 작동은 구동렬 냉각제 배관(223)을 열교환기(215)를 통해 냉각 서브시스템(101)에 결합하는 편리한 방법을 제공한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 이러한 작동 모드에서는, 배관(223) 내의 냉각제는 냉각 서브시스템(101)을 통해 라디에이터(233)만을 통해 달성 가능한 온도보다 낮게 냉각될 수 있고, 라디에이터(233)는 밸브(239)를 사용하여 우회되어 주위 환경으로부터의 열이 냉각된 냉각제에 원치 않게 가해지는 것을 피할 수 있다. 부가적으로, 냉각 서브시스템(101)의 작동이 없는 경우에조차, 본질적으로 배터리(들)(241)를 열 커패시터로서 사용하여, 과잉의 구동렬 가열이 배터리(들)(241) 내에 쌓이게 함으로써, 이러한 구조에 있어서는 구동렬 부품이 유익하다.
도 2는 서브시스템(105 및 107)을 작동하기 위한 병렬 구조를 도시한다. 몇가지 예시적인 작동 시나리오는 하기의 내용을 포함한다:
- 병렬 구조는 구동렬 및 배터리 서브시스템에서의 독립적인 온도 제어를 허용하기 때문에, 각 서브시스템은 용인 가능한 온도 범위 내에서 최소한의 차량 에너지 소비로 작동되게 된다. 따라서, 배터리(들)(241)는 냉각 서브시스템(101) 및 열교환기(215)의 사용을 통해 바람직한 범위까지 냉각되거나, 또는 히터(247)를 통해 가열될 수 있다. 구동렬 부품에서의 제어는 라디에이터(233)/팬(237) 및 라디에이터 바이패스 밸브(239)를 통해 달성된다.
- 몇가지 예에서, 구동렬이 아직 냉각되어 있더라도 배터리들은 이미 바람직한 작동 온도에 있을 수 있다. 구동렬이 여전히 가열되고 있는 상태에서, 병렬 작업은 배터리(들)(241)를 이 온도에, 또는 적합한 온도 범위 내에 유지되게 한다. 밸브(239)를 바이패스 라디에이터(233)에 사용함으로써 구동렬 가열이 촉진될 수 있다는 점에 유의해야 한다.
- 주위 온도에 의거하여, 몇가지 예에서는, 충전 중에, 라디에이터(233)를 통해서만 차저(229)를 냉각하면서 배터리(들)(241)의 독립적인 온도 제어를 행하는 것이 바람직하다.
다양한 여러 시스템 부품(예컨대, 모터, 차저, 인버터, 배터리 등) 중 하나, 주위 온도, 차량 속도 등의 열적 필요성에 의거하여, 구동렬 열 서브시스템 및 배터리 열 서브시스템을 직렬 구조 또는 병렬 구조로 작동함으로써, 시스템 효율의 최대화 및/또는 시스템 열 성능의 개선을 위한 능력이 본 발명의 핵심이라는 것을 이해할 것이다. 따라서, 서브시스템의 개별 부품 및 레이아웃이 본 발명으로부터 일탈함이 없이 예시적인 실시예의 것들로부터, 예컨대 쿨링/냉각 서브시스템의 형태로부터 변경될 수 있다는 점을 이해해야 하고, 그 방식에서 객실 HVAC 서브시스템은 다른 서브시스템에 연결되고, 열교환기의 수, 순환 펌프/라디에이터/팬의 수 등은 모두 기본적인 발명으로부터 일탈함이 없이 시스템(200)과 상이할 수 있다. 예컨대, 시스템(200)의 예시적인 변형예에서, 히터(247)는 냉각제 배관(243)에서 배터리(들)(241) 직전에 있도록 재배치된다.
도 4 및 도 5는 각각 도 2 및 도 3에 도시된 시스템의 약간의 변형에 대응하며, 특히 4웨이 밸브(249)를 한쌍의 3웨이 밸브(401 및 403)로 대체한 것이다. 비록 시스템(200 및 400)이 동일한 방식으로 작동하고 동일한 성능 및 효율적인 이점을 제공하지만, 신뢰성을 개선하면서 부품 수, 비용 및 시스템 복잡도를 경감하기 위해서는 두 개의 3웨이 밸브보다는 단일의 4웨이 밸브를 사용하는 것이 바람직하다는 것을 이해할 것이다. 본 발명의 양태를 나타내고 있는 라디에이터 바이패스 밸브(239)가 도 4에 도시된 라디에이터 활성 위치와는 달리 도 5에서는 바이패스 위치에 있는 것으로 도시되어 있음에 유의해야 한다.
본 기술분야의 숙련자에게 이해되는 바와 같이, 본 발명은 그 정신 및 본질적인 특징으로부터 일탈함이 없이 다른 특정한 형태로 구현될 수 있다. 따라서, 본원에서의 개시 및 기재는 하기의 청구범위에서 기술하는 발명의 범위를 나타내려는 것이지, 그것에 제한하려는 것은 아니다.
100 : 열관리 시스템
101 : 냉각 서브시스템
103 : 객실 서브시스템
105 : 구동렬 서브시스템
107 : 배터리 서브시스템
109 : 제어 시스템

Claims (15)

  1. 배터리 시스템과 열교환하는 제 1 냉각제 배관,
    적어도 하나의 구동렬 부품(drive train component)과 열교환하는 제 2 냉각제 배관, 및
    이중 방식의 밸브 시스템을 포함하는, 이중 방식의 차량용 열관리 시스템으로서,
    상기 제 1 냉각제 배관은 냉각제를 순환시키기 위한 제 1 순환 펌프를 상기 제 1 냉각제 배관 내에 포함하고, 상기 제 1 냉각제 배관은 제 1 냉각제 저장기를 더 포함하며,
    상기 제 2 냉각제 배관은 상기 냉각제를 순환시키기 위한 제 2 순환 펌프를 상기 제 2 냉각제 배관 내에 포함하고, 상기 제 2 냉각제 배관은 제 2 냉각제 저장기를 더 포함하며, 상기 냉각제는 상기 제 1 및 제 2 냉각제 저장기 사이에서의 유동이 허용되고,
    상기 밸브 시스템이 제 1 방식으로 배열되어 있을 경우에는, 상기 제 1 냉각제 배관은 상기 제 2 냉각제 배관에 대하여 병행하여 별개로 작동하고, 상기 밸브 시스템이 제 2 방식으로 배열되어 있을 경우에는, 상기 제 1 냉각제 배관은 상기 제 2 냉각제 배관에 직렬로 연결되는 이중 방식의 차량용 열관리 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 이중 방식의 밸브 시스템은 4웨이 밸브(four-way valve)로 구성되고, 상기 제 1 방식으로 배열된 상기 4웨이 밸브는 제 1 밸브 입구를 제 1 밸브 출구에 연결하고 제 2 밸브 입구를 제 2 밸브 출구에 연결하며, 상기 제 2 방식으로 배열된 상기 4웨이 밸브는 상기 제 1 밸브 입구를 상기 제 2 밸브 출구에 연결하고 상기 제 2 밸브 입구를 상기 제 1 밸브 출구에 연결하는 이중 방식의 차량용 열관리 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 이중 방식의 밸브 시스템은 4웨이 밸브로 구성되고, 상기 제 1 방식으로 배열된 상기 4웨이 밸브는 상기 제 1 냉각제 배관의 제 1 부분을 상기 제 1 냉각제 배관의 제 2 부분에 연결하고 상기 제 2 냉각제 배관의 제 1 부분을 상기 제 2 냉각제 배관의 제 2 부분에 연결하며, 상기 제 2 방식으로 배열된 상기 4웨이 밸브는 상기 제 1 냉각제 배관의 상기 제 1 부분을 상기 제 2 냉각제 배관의 상기 제 2 부분에 연결하고 상기 제 2 냉각제 배관의 상기 제 1 부분을 상기 제 1 냉각제 배관의 상기 제 2 부분에 연결하는 이중 방식의 차량용 열관리 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 이중 방식의 밸브 시스템은 제 1의 3웨이 밸브(three-way valve) 및 제 2의 3웨이 밸브로 구성되고, 상기 이중 방식의 밸브 시스템이 상기 제 1 방식으로 배열될 경우에 상기 제 1의 3웨이 밸브는 상기 제 1 냉각제 배관의 제 1 부분을 상기 제 1 냉각제 배관의 제 2 부분에 연결하며, 상기 이중 방식의 밸브 시스템이 상기 제 1 방식으로 배열될 경우에 상기 제 2의 3웨이 밸브는 상기 제 2 냉각제 배관의 제 1 부분을 상기 제 2 냉각제 배관의 제 2 부분에 연결하고, 상기 이중 방식의 밸브 시스템이 상기 제 2 방식으로 배열될 경우에 상기 제 1의 3웨이 밸브는 상기 제 1 냉각제 배관의 상기 제 1 부분을 상기 제 2 냉각제 배관의 상기 제 2 부분에 연결하며, 상기 이중 방식의 밸브 시스템이 상기 제 2 방식으로 배열될 경우에 상기 제 2의 3웨이 밸브는 상기 제 2 냉각제 배관의 상기 제 1 부분을 상기 제 1 냉각제 배관의 상기 제 2 부분에 연결하는 이중 방식의 차량용 열관리 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 냉각제 저장기는 단일의 냉각제 저장기의 제 1 및 제 2 챔버로 구성되는 이중 방식의 차량용 열관리 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    열교환기를 통해 상기 제 1 냉각제 배관과 열교환하는 냉각 서브시스템을 더 포함하는 이중 방식의 차량용 열관리 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 냉각제 배관은 히터를 더 포함하는 이중 방식의 차량용 열관리 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 냉각제 배관은 바이패스 밸브를 더 포함하고, 상기 바이패스 밸브는 제 1 위치에서는 상기 제 2 냉각제 배관을 라디에이터에 연결하고, 상기 바이패스 밸브는 제 2 위치에서는 상기 제 2 냉각제 배관으로부터 상기 라디에이터를 분리하는 이중 방식의 차량용 열관리 시스템.
  9. 전기 차량 내의 열부하를 관리하는 방법으로서,
    구동렬 냉각제 배관 및 배터리 시스템 냉각제 배관을 통해 냉각제를 순환시키는 제 1 방식 및 제 2 방식 중에서 선택하는 단계를 포함하고,
    상기 제 1 방식에서는, 상기 방법은,
    상기 냉각제를 상기 구동렬 냉각제 배관을 통해 순환시키는 단계, 및
    상기 냉각제를 상기 배터리 시스템 냉각제 배관을 통해 순환시키는 단계를 더 포함하고,
    상기 구동렬 냉각제 배관은 적어도 하나의 구동렬 부품과 열교환하고, 상기 배터리 시스템 냉각제 배관은 배터리 시스템과 열교환하며, 상기 냉각제를 배터리 시스템 냉각제 배관을 통해 순환시키는 단계는 상기 냉각제를 상기 구동렬 냉각제 배관을 통해 순환시키는 단계와 병행하여 수행되고,
    상기 제 2 방식에서는, 상기 방법은,
    상기 구동렬 냉각제 배관 및 상기 배터리 시스템 냉각제 배관을 통해 상기 냉각제를 연속해서 순환시키는 단계를 더 포함하는 열부하 관리 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 방식에서는, 상기 방법은, 상기 구동렬 냉각제 배관의 제 1 부분을 상기 구동렬 냉각제 배관의 제 2 부분에 연결하는 단계 및 상기 배터리 시스템 냉각제 배관의 제 1 부분을 상기 배터리 시스템 냉각제 배관의 제 2 부분에 연결하는 단계를 포함하고, 상기 제 2 방식에서는, 상기 방법은, 상기 구동렬 냉각제 배관의 상기 제 1 부분을 상기 배터리 시스템 냉각제 배관의 상기 제 2 부분에 연결하는 단계 및 상기 배터리 시스템 냉각제 배관의 상기 제 1 부분을 상기 구동렬 냉각제 배관의 상기 제 2 부분에 연결하는 단계를 포함하는 열부하 관리 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 선택하는 단계는 4웨이 밸브를 상기 제 1 방식에 대응하는 제 1 위치 또는 상기 제 2 방식에 대응하는 제 2 위치에 위치시키는 단계를 더 포함하는 열부하 관리 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 방식에서는, 상기 방법은, 제 1의 3웨이 밸브를 제 1 위치에 위치시키는 단계 및 제 2의 3웨이 밸브를 제 1 위치에 위치시키는 단계를 더 포함하고, 상기 제 2 방식에서는, 상기 방법은, 상기 제 1의 3웨이 밸브를 제 2 위치에 위치시키는 단계 및 상기 제 2의 3웨이 밸브를 제 2 위치에 위치시키는 단계를 더 포함하는 열부하 관리 방법.
  13. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배터리 시스템 냉각제 배관을 열교환기를 통해 냉각 서브시스템에 열적으로 연결하는 단계를 더 포함하고, 상기 배터리 시스템 냉각제 배관을 상기 냉각 서브시스템에 열적으로 연결하는 단계는 추가적인 배터리 시스템 냉각이 요구될 때 수행되는 열부하 관리 방법.
  14. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배터리 시스템 냉각제 배관을 히터에 열적으로 연결하는 단계를 더 포함하고, 상기 배터리 시스템 냉각제 배관을 상기 히터에 열적으로 연결하는 단계는 추가적인 배터리 시스템 가열이 요구될 때 수행되는 열부하 관리 방법.
  15. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구동렬 냉각제 배관을 바이패스 밸브를 사용하여 라디에이터에 연결하는 단계를 더 포함하고, 상기 연결하는 단계는 추가적인 구동렬 냉각이 요구될 때 수행되는 열부하 관리 방법.
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