KR101219402B1

KR101219402B1 - 전기자동차의 폐열 관리 시스템

Info

Publication number: KR101219402B1
Application number: KR1020110057082A
Authority: KR
Inventors: 김재웅; 박재현; 박준형
Original assignee: 기아자동차주식회사; 현대자동차주식회사
Priority date: 2011-06-13
Filing date: 2011-06-13
Publication date: 2013-01-15
Also published as: KR20120137916A

Abstract

본 발명은 전기자동차의 폐열 관리 시스템에 관한 것으로서, 차량에서 발생하는 폐열을 최대한 활용하여 난방시스템의 전기히터나 구동모터 등 차량 내 각종 전장부품에서 소모되는 전력을 축소함으로써 차량의 항속거리를 증대시킬 수 있는 전기자동차의 폐열 관리 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다. 이를 위해, 냉각수를 압송하여 순환시키는 전동식 워터펌프와; 냉각수의 열을 방출하기 위한 방열기와; 공조블로워에 의해 차량 실내로 토출되는 공기에 냉각수의 열을 방출하여 공급하는 히터코어와; 상기 워터펌프에 의해 압송되는 냉각수가 복수의 전장부품을 통과한 뒤 방열기, 히터코어를 통과하여 순환되도록 구비되는 냉각수 라인과; 상기 각 전장부품의 온도를 검출하는 부품온센서;를 포함하고, 상기 복수의 전장부품이 냉각수 라인에 의해 각각 별도로 직렬 연결된 제1군의 전장부품과 제2군의 전장부품으로 구분되며, 상기 제1군의 전장부품이 연결된 냉각수 라인과, 상기 제2군의 전장부품이 연결된 냉각수 라인 사이에는 상기 부품온센서의 검출신호에 따라 제어기에 의해 개폐상태가 제어되는 멀티제어밸브가 설치는 전기자동차의 폐열 관리 시스템이 개시된다.

Description

전기자동차의 폐열 관리 시스템{Waste heat management system for electric vehicle}

본 발명은 전기자동차의 폐열 관리 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차량에서 발생하는 폐열을 최대한 활용하여 난방시스템의 전기히터나 구동모터 등 차량 내 각종 전장부품에서 소모되는 전력을 축소함으로써 차량의 항속거리를 증대시킬 수 있는 전기자동차의 폐열 관리 시스템에 관한 것이다.

오늘날 화석연료를 사용하는 내연기관(엔진) 자동차는 배기가스로 인한 환경오염, 이산화탄소로 인한 지구 온난화, 오존 생성 등으로 인한 호흡기 질환 유발 등의 많은 문제점을 가지고 있다.

그리고, 지구상에 존재하는 화석연료는 한정되어 있기 때문에 언젠가는 고갈될 위기에 처해 있다.

이에 전기모터를 구동원으로 사용하여 주행하는 무공해 친환경 전기자동차(Electric Vehicle, EV)의 개발이 활발히 진행되고 있다.

전기자동차에는 차량을 구동시키기 위한 전기모터(구동모터)와 더불어 전기모터에 전력을 공급하기 위한 배터리가 탑재되는데, 주행 전 외부충전장치로부터 배터리를 충전한 뒤 주행하게 된다.

또한 전기자동차에는 배터리 충전을 위한 내부 충전기, 구동모터를 회전시키기 위한 인버터, 고전압과 저전압 사이의 출력 변환을 위한 DC-DC 컨버터(Low voltage DC-DC Converter, 이하 LDC라 칭함) 등 전장부품(PE 부품:Power Electronic Parts)이 탑재된다.

상기 인버터는 제어기에서 인가되는 제어신호에 따라 배터리에서 공급되는 전원을 상 변환시켜 구동모터를 구동시키며, LDC는 통상 고전압 배터리의 고전압 직류를 저전압 직류로 변환하여 차량 내 부하에 공급한다.

아울러, 전기자동차에는 일반 내연기관 자동차와 달리 실내 난방을 위한 열원인 내연기관(엔진)이 없으므로 난방용 히터로는 전기히터(예, PTC 히터)가 사용되고, 또한 실내 냉방을 위한 컴프레서 역시 내연기관을 구동원으로 사용할 수 없으므로 전동식 컴프레서가 사용된다.

상기와 같은 전기자동차에서는 배터리의 에너지 축적밀도의 한계로 인해 항속거리(일충전 주행거리)가 매우 중요하며, 항속거리의 증대를 위해서는 차량 내 전기부하의 축소가 매우 중요하다.

특히, 공조시스템의 작동시에는 전기히터나 컴프레서, 공조블로워의 구동으로 인해 많은 전력이 소모되고, 이때의 전력 소모로 인해 최대 항속거리는 미작동시의 항속거리에 비해 크게 축소된다.

더욱이 전기자동차의 경우 폐열이 적은 관계로 내연기관 자동차와 달리 실내 난방을 위해 별도 열원이 필수적이고, 이에 난방용 히터로 고전압 PTC 히터를 주로 사용하고 있는데, 고전압 PTC 히터는 큰 소모 전력을 요구하고 있다.

또한 구동모터 등 구동부는 온도가 낮을수록 윤활 마찰계수의 증가로 인해 더욱 많은 전력을 소모하게 된다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 창출된 것으로서, 차량에서 발생하는 폐열을 최대한 활용하여 난방시스템의 전기히터나 구동모터 등 차량 내 각종 전장부품에서 소모되는 전력을 축소함으로써 차량의 항속거리를 증대시킬 수 있는 전기자동차의 폐열 관리 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 전기자동차에 탑재된 각종 전장부품의 발열을 효율적으로 관리하고 활용할 수 있는 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 냉각수를 압송하여 순환시키는 전동식 워터펌프와; 냉각수의 열을 방출하기 위한 방열기와; 공조블로워에 의해 차량 실내로 토출되는 공기에 냉각수의 열을 방출하여 공급하는 히터코어와; 상기 워터펌프에 의해 압송되는 냉각수가 복수의 전장부품을 통과한 뒤 방열기, 히터코어를 통과하여 순환되도록 구비되는 냉각수 라인과; 상기 각 전장부품의 온도를 검출하는 부품온센서;를 포함하고, 상기 복수의 전장부품이 냉각수 라인에 의해 각각 별도로 직렬 연결된 제1군의 전장부품과 제2군의 전장부품으로 구분되며, 상기 제1군의 전장부품이 연결된 냉각수 라인과, 상기 제2군의 전장부품이 연결된 냉각수 라인 사이에는 상기 부품온센서의 검출신호에 따라 제어기에 의해 개폐상태가 제어되는 멀티제어밸브가 설치되고, 상기 멀티제어밸브는, 상기 제1군의 전장부품을 통과한 냉각수를, 방열기로 연결된 냉각수 라인1, 제2군의 전장부품으로 연결된 냉각수 라인2, 히터코어로 연결된 냉각수 라인3 중 하나 이상의 선택된 경로로 공급하도록 개폐상태가 제어되는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 폐열 관리 시스템을 제공한다.

여기서, 상기 제어기가 상기 멀티제어밸브의 개폐상태를 제어함으로써, 상기 제1군의 전장부품을 통과한 냉각수가 냉각수 라인1로 공급되어 제1군의 전장부품만 냉각되는 제1냉각모드와; 상기 제1군의 전장부품을 통과한 냉각수가 냉각수 라인2로 공급되어 제1 및 제2군의 전장부품이 웜업되는 부품워엄모드와; 상기 제1군의 전장부품을 통과한 냉각수가 냉각수 라인3으로 공급되어 히터코어에 의해 승온된 공기가 차량 실내로 공급되는 공조모드와; 상기 제1군의 전장부품을 통과한 냉각수가 냉각수 라인1 및 냉각수 라인2로 동시 공급되어 제1군 및 제2군의 전장부품 전체가 냉각되는 제2냉각모드;의 작동모드 중 어느 하나로 제어되는 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 본 발명에 따른 전기자동차의 폐열 관리 시스템에서는 각종 전장부품에서 발생하는 폐열을 최대한 활용하여 차량 공조에 이용함으로써 난방시스템에서 소모되는 전력을 저감시킬 수 있고, 차량의 항속거리를 증대시킬 수 있다.

또한 본 발명에서는 전기자동차에 탑재된 각종 전장부품의 발열을 효율적으로 관리하고 활용하게 되며, 전장부품의 냉각과 웜업, 폐열을 이용한 난방 기능을 통합하여 차량의 열 관리를 최적화할 수 있는 이점이 있다.

또한 본 발명은 전장부품의 웜업 기능을 통해 저온에서 인버터 및 모터의 작동 효율을 향상시킬 수 있고, 저온에서 낭비되는 소모 전력을 최소화할 수 있으므로 항속거리 증대에 기여하게 된다.

그 밖에 환절기에 실내 토출 공기의 온도 제어를 위한 전기히터의 온/오프 반복을 최소화할 수 있고, 이를 통해 배터리 내구 수명의 향상은 물론 에너지 손실 방지로 항속거리의 증대를 도모할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 전기자동차의 폐열 관리 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명에서 모드별 작동상태를 나타내는 순서도이다.
도 3은 본 발명에서 각 전장부품 온도에 따라 작동모드가 결정되는 상태를 예시한 도면이다.
도 4는 본 발명에서 워터펌프의 제어상태를 예시한 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 인버터, 구동모터, LDC, 충전기 등 전기자동차의 전장부품(PE 부품)의 발열을 효율적으로 관리 및 활용할 수 있도록 하기 위한 것이며, 또한 저온영역 또는 난방시스템의 작동(동절기 또는 환절기)시 전장부품의 전력 소모를 줄여 전기자동차의 항속거리를 증대시키기 위한 것이다.

특히, 본 발명은 난방시스템의 작동시 전장부품의 폐열을 최대한 활용할 수 있도록 구성됨으로써, 기존의 전기히터를 단독으로 사용하는 시스템 대비 소모 전력을 축소할 수 있도록 하고, 환절기 자동온도조절모드(ATC 작동)에서도 전기히터 대신 폐열만으로 차량 실내온도를 운전자 설정온도로 유지시킬 수 있도록 한다.

또한 저온시 구동부의 신속한 웜업을 통하여 불필요한 전력 소모를 줄일 수 있도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 전기자동차의 폐열 관리 시스템을 나타내는 구성도로서, 도시된 바와 같이, 냉각수가 전장부품(4,5,7,8)을 통과하도록 여러 경로의 냉각수 라인(9a~9d)을 구성하되, 특히 설정된 조건에 따라 밸브(10)를 제어하여 상기 여러 경로의 냉각수 라인 중 선택된 곳으로 냉각수가 흐르도록 함으로써, 부품냉각모드, 부품웜업모드, 공조모드로 선택 작동될 수 있게 시스템이 구성된다.

먼저, 본 발명의 폐열 관리 시스템은, 냉각수가 저장되는 냉각수 탱크(1)와, 냉각수 탱크(1)의 냉각수를 압송하여 순환시키는 전동식 워터펌프(2)와, 냉각수의 열을 방출하기 위한 방열기(21)와, 공조블로워(31)에 의해 차량 실내로 토출되는 공기에 냉각수의 열을 방출하여 공급하는 히터코어(22)와, 상기 워터펌프(2)에 의해 압송되는 냉각수가 각 전장부품(4,5,7,8)과 방열기(21), 히터코어(22)를 통과하여 순환되도록 구비되는 냉각수 라인(9a~9d)을 포함한다.

상기 전장부품은 작동시 열이 발생하는 부품으로, 인버터(4), 구동모터(5), LDC(7), 충전기(8) 등이 될 수 있고, 냉각수가 이들을 차례로 통과하여 순환되도록 각 전장부품에 냉각수 라인(9a,9c)이 연결된다.

상기 각 전장부품에서는 냉각수와의 열전달이 이루어지도록 하는 열전달구조가 구비되는데, 예컨대 전장부품이 수납된 하우징에 입, 출구포트를 구비하고, 상기 입, 출구포트에 냉각수 라인을 연결하여, 냉각수 라인을 따라 흐르는 냉각수가 하우징 내부를 통과하는 동안 하우징 내 수납된 전장부품과 열전달이 이루어지도록 하는 것이 가능하다.

또는 전장부품의 하우징에 워터자켓 형태의 냉각수 유로를 구비하여, 냉각수가 하우징의 워터자켓을 통과하는 동안 전장부품과 열전달이 이루어지도록 하는 것이 가능하다.

또한 본 발명에서는 전기자동차의 전장부품들을 부품 특성에 따라 제1군과 제2군으로 구분하여, 제1군의 전장부품(3)을 냉각수가 순차적으로 통과하도록 냉각수 라인(9a)을 통해 직렬 연결하고, 제2군의 전장부품(6)들 역시 냉각수가 순차적으로 통과하도록 냉각수 라인(9c)을 통해 직렬로 연결하며, 제1군의 전장부품(3)들을 통과한 냉각수가 제2군의 전장부품(6)들을 선택적으로 통과할 수 있도록 제1군과 제2군의 전장부품(3,6) 간 냉각수 라인(9a,9c)에는 밸브(10)를 설치한다.

본 발명의 실시예에서, 제1군의 전장부품(3)은 차량 주행 중 고발열 상태가 되는 인버터(4)와 구동모터(5)가 포함되고, 이들이 냉각수 라인(9a)을 통해 직렬로 연결된다. 또한 제2군의 전장부품(6)은 상대적으로 저발열 부품인 LDC(7)와 배터리 충전 중 발열하는 충전기(8)를 포함하여 구성될 수 있고, 이들이 냉각수 라인(9c)을 통해 직렬로 연결된다.

상기 밸브(10)로는 입구포트(11)가 1개, 출구포트(12~14)가 3개 구비된 멀티제어밸브가 채용되는데, 출구포트 중 하나는 제2군의 전장부품(7)으로 연결된 냉각수 라인(9c)이, 다른 하나는 방열기(Radiator)(21) 입구로 연결된 냉각수 라인(9b)이, 나머지 다른 하나는 히터코어(22) 입구로 연결된 냉각수 라인(9d)이 연결된다.

또한 방열기(21)의 출구와 히터코어(22)의 출구는 각각 냉각수 라인을 통해 냉각수 탱크(1)로 연결된다.

이에 따라, 상기 멀티제어밸브(10)는, 출구포트(12~14)의 개폐상태에 따라, 상기 제1군의 전장부품(3)을 통과한 냉각수를, 방열기(21)로 연결된 냉각수 라인(9b)과, 제2군의 전장부품(6)으로 연결된 냉각수 라인(9c)과, 히터코어(22)로 연결된 냉각수 라인(9d) 중 하나 이상의 선택된 경로로 공급할 수 있게 된다.

이하, 본 명세서에서는 명확한 설명을 위해 방열기(21)로 연결되는 출구포트(12)를 제1출구포트, 제2군의 전장부품(6)으로 연결되는 출구포트(13)를 제2출구포트, 히터코어(22)로 연결되는 출구포트를 제3출구포트(14)라 칭하기로 한다.

이러한 구조에서는 제1군의 전장부품(3)들이 워터펌프(2)와 멀티제어밸브(10) 사이에 냉각수 라인(9a)을 통해 연결되어 배치되고, 제2군의 전장부품(6)들이 멀티제어밸브(10)와 냉각수 탱크(1) 사이에 냉각수 라인(9c)을 통해 연결되어 배치된다.

따라서, 멀티제어밸브(10)의 제1출구포트(12)가 개방된 상태에서는 워터펌프(2)에 의해 압송되는 냉각수가 제1군의 전장부품(3)을 차례로 통과한 뒤 냉각수 라인(9b)을 통해 방열기(21)를 거쳐 냉각수 탱크(1)로 리턴되게 된다.

또한 제2출구포트(13)가 개방된 상태에서는 워터펌프(2)에 의해 압송되는 냉각수가 제1군의 전장부품(3)과 제2군의 전장부품(6)을 차례로 통과한 뒤 냉각수 라인(9c)을 통해 냉각수 탱크(1)로 리턴될 수 있게 된다.

또한 제3출구포트(14)가 개방된 상태에서는 워터펌프(2)에 의해 압송되는 냉각수가 제1군의 전장부품(3)을 차례로 통과한 뒤 히터코어(22)를 거쳐 냉각수 탱크(1)로 리턴되게 된다.

상기 멀티제어밸브(10)는 제어기(공조제어기가 될 수 있음)(도시하지 않음)에서 출력되는 전기적 신호(제어신호)에 따라 개폐상태가 제어되는 전자식 밸브로서, 제어기의 제어신호에 의해 각 출구포트(12~14)를 개폐하도록 된 밸브체가 동작하되, 밸브체의 제어된 위치에 따라 제1, 제2, 제3출구포트(12~14) 중 선택된 하나의 출구포트만이 단독으로 개방되거나, 선택된 두 개의 출구포트가 동시에 개방될 수 있는 밸브 구성을 가진다.

이와 같이 복수의 포트 중 하나 이상의 포트가 선택적으로 개방되는 멀티제어밸브는 산업적으로 널리 이용되고 있는 공지의 밸브이므로, 본 발명에서 멀티제어밸브의 구조나 구성에 대해서는 특정하게 한정하지 않으며, 하나 이상의 포트를 선택적으로 개방할 수 있는 밸브라면, 당업자 기술 수준에서 다양한 형태의 멀티제어밸브 중 하나가 채용될 수 있다.

상기 히터코어(22)는 전기히터(30), 즉 PTC 히터를 보조하여 실내 난방용으로 사용되는 보조히터 역할을 하며, 공조블로워(31)에 의해 송풍되는 공기가 상기 히터코어(22)와 PTC 히터(30)를 차례로 통과할 수 있도록 배치된다.

상기 히터코어(22)에는 전장부품의 폐열을 전달받은 냉각수가 통과하도록 냉각수 라인(9d)이 연결되어 있는바, 전장부품에서 발생한 폐열을 실내 난방용으로 활용할 수 있게 해주는 보조히터 장치가 된다.

상기 히터코어(22)로 전장부품의 열을 전달받은 냉각수가 통과하는 동안 공조블로워(31)가 구동될 경우 온기가 차량 실내로 공급될 수 있으며, 이와 같이 전장부품의 폐열을 이용하는 히터코어(22)가 보조히터 장치로 사용될 경우 기존 PTC 히터(30)의 용량을 축소하거나 PTC 히터의 소모 전력을 줄일 수 있게 된다.

한편, 본 발명의 폐열 관리 시스템은 냉각수의 온도를 검출하는 수온센서(도시하지 않음), 각 전장부품의 온도를 검출하는 부품온센서(도시하지 않음), 및 히터코어 후단의 공기 온도를 검출하는 공기온센서(도시하지 않음)를 더 포함하고, 이때 각 센서는 제어기에 검출신호의 입력이 가능하도록 연결된다.

여기서, 수온센서는 제1군의 전장부품(3)을 통과한 냉각수의 온도를 검출하도록 구비된다.

이에 본 발명에서는 제어기가 각 센서로부터 수집되는 온도 정보에 기초하여 작동모드를 결정하고, 또한 작동모드에 따라 멀티제어밸브(10)의 개폐상태를 제어하게 된다.

즉, 제어기가 수집된 온도 정보에 기초하여 각 상태에 따라 멀티제어밸브(10)의 개폐상태를 제어하게 되며, 이때 부품냉각모드(제1냉각모드/제2냉각모드), 부품웜업모드, 공조모드 중 하나로 작동하는바, 각 모드 및 모드별 작동상태에 대해 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도 2는 본 발명에서 모드별 작동상태를 나타내는 순서도이다.

먼저, 멀티제어밸브(10)의 제1출구포트(12)가 개방되는 상태는 제1군의 전장부품(3)을 냉각하는 부품냉각모드, 즉 제1냉각모드이고, 공조블로워(31)와 전기히터(PTC 히터)(30)의 미작동조건에서 제2출구포트(13)가 개방되는 상태는 제1군 및 제2군의 전장부품이 웜업되는 부품웜업모드이다.

상기 제1출구포트(12)가 개방되는 제1냉각모드에서는, 워터펌프(2)에 의해 압송되는 냉각수가 제1군의 전장부품(3)인 인버터(4)와 구동모터(5)를 차례로 통과하면서 이들을 냉각하고, 이후 냉각수가 방열기(21)에서 냉각된 뒤 냉각수 탱크(1)로 리턴된다.

또한 제2출구포트(13)가 개방되는 부품웜업모드에서는, 워터펌프(2)에 의해 압송되는 냉각수가 제1군 및 제2군의 전장부품(3,6), 즉 인버터(4)와 구동모터(5), LDC(7), 충전기(8)를 차례로 통과하나, 이후 냉각수의 방열 없이 냉각수 탱크(1)로 리턴된다.

부품웜업모드에서는 방열 없이 냉각수가 전체 전장부품을 순환하게 되므로, 상대적으로 고온 상태인 전장부품에서 저온 상태인 전장부품으로 냉각수를 통해 열을 전달할 수 있고, 전체 전장부품을 고르게 웜업시킬 수 있다.

예컨대, 저온 조건에서 워터펌프(2)를 구동하여 충전 중 발열 부품인 충전기(8)의 열을 냉각수 순환을 통해 인버터(4)나 구동모터(5), LDC(7)에 전달할 수 있고, 이로써 주행 전의 충전 동안에 이들 부품을 미리 웜업할 수 있다.

부품웜업모드에서 워터펌프(2)의 작동은 제1군 전장부품(3)의 온도에 따라 온/오프 제어할 수 있다.

즉, 상대적으로 고발열 부품인 제1군 전장부품(3) 중 어느 하나의 온도, 즉 인버터(4)나 구동모터(5)의 온도가 각 부품에 대해 효율점 부품 온도를 고려하여 미리 설정된 설정온도보다 높은 경우에만 워터펌프(2)를 작동시키고, 그렇지 않은 경우에는 워터펌프(2)를 오프시켜 냉각수가 아닌 자체 발열에 의해 전장부품을 웜업시킨다.

여기서, 상기 효율점 부품 온도는 최적 효율을 나타내는 해당 부품의 온도로서, 선행 테스트를 통해 얻어지는 온도가 될 수 있고, 상기 설정온도는 '효율점 부품 온도 + β'가 될 수 있다(β는 설정값임). 또한 이때 워터펌프의 작동량은 크게 중요하지 않으므로 듀티 50% 미만으로 작동시키도록 설정될 수 있다.

또한 제3출구포트(14)가 개방되는 상태는 제1군의 전장부품(3)에서 발생한 폐열을 이용하여 난방 또는 자동온도조절(ATC 작동)이 이루어지는 공조모드이고, 제1 및 제2출구포트(12,13)가 동시에 개방되는 상태는 제1군 및 제2군의 전체 전장부품(3,6)들을 냉각하는 부품냉각모드, 즉 제2냉각모드이다.

제3출구포트(14)가 개방되는 공조모드에서는, 워터펌프(2)에 의해 압송되는 냉각수가 제1군의 전장부품(3)인 인버터(4)와 구동모터(5)를 차례로 통과한 뒤 히터코어(22)를 거쳐 냉각수 탱크(1)로 리턴된다.

이러한 공조모드에서는 상대적으로 고발열 부품인 인버터(4) 및 구동모터(5)로부터 폐열을 전달받은 냉각수가 히터코어(22)를 통과하므로 공조블로워(31)가 작동되는 상태에서 히터코어(22)에 의해 승온된 공기가 차량 실내로 토출될 수 있고, 이에 폐열을 이용한 실내 난방이 가능해진다.

제1 및 제2출구포트(12,13)가 동시에 개방되는 제2냉각모드에서는, 워터펌프(2)에 의해 압송되는 냉각수가 제1군의 전장부품(3) 및 제2군의 전장부품(6), 그리고 방열기(21)를 모두 순환하므로 전체 전장부품을 냉각할 수 있게 된다.

또한 제2 및 제3출구포트(13,14)가 동시에 개방되는 상태는 난방 또는 자동온도조절(ATC)이 이루어지는 공조모드와, 제1군 및 제2군의 전장부품(3,6)을 모두 냉각하는 부품냉각모드, 즉 제2냉각모드가 동시에 수행되는 모드이다.

제2 및 제3출구포트(13,14)가 동시에 개방되는 모드에서는, 워터펌프(2)에 의해 압송되는 냉각수가 1군의 전장부품(3) 및 2군의 전장부품(6), 그리고 실내 공조를 위한 히터코어(22)를 모두 순환하므로, 히터코어(22)에 의해 승온된 공기가 차량 실내로 토출됨(공조모드)과 더불어, 히터코어(22)에서 방열이 이루어진 냉각수로 전체 전장부품을 모두 냉각할 수 있게 된다.

상기와 같은 모드 제어를 수행하는 멀티제어밸브(10)에서, 바람직하기로는 제2출구포트(13)의 유로 면적은 제1출구포트(12) 및 제3출구포트(14)의 유로 면적에 비해 크게 설정되고, 이때 제1출구포트(12)와 제3출구포트(14)의 유로 면적은 동일하게 설정될 수 있다.

또한 상기와 같은 멀티제어밸브(10)의 개폐상태를 제어함에 있어서, 부품냉각모드, 즉 제1냉각모드와 제2냉각모드, 그리고 부품웜업모드 및 공조모드는 제1군 및 제2군의 각 전장부품 온도에 따라 결정되어 작동되는데, 도 3은 전장부품의 온도에 따라 작동모드가 결정되는 상태를 예시한 도면이다.

도시된 바와 같이, 각 전장부품별로 부품냉각모드, 부품웜업모드, 공조모드로 진입하기 위한 각각의 온도 임계치가 설정되어 있으며, 제1군의 전장부품(3) 중에서, 그리고 제2군의 전장부품(6) 중에서 각각 어느 하나라도 모드별 온도 조건을 만족하면, 제어기에 의해 멀티제어밸브(10)의 개폐상태가 제어되면서 해당 모드로의 진입이 이루어지게 된다.

예를 들면, 제1군의 전장부품(3) 중 어느 하나와 제2군의 전장부품(6) 중 어느 하나의 온도가 모두 온도 임계치 이상으로 상승한 경우라면, 멀티제어밸브(10)의 제1 및 제2출구포트(12,13)가 모두 개방되어 전장부품 모두를 냉각하는 제2냉각모드가 수행된다.

또한 제2군 전장부품(6) 모두의 온도가 온도 임계치 미만이면, 제1출구포트(12)만 개방되어 제1군 전장부품(3)만 냉각하는 제1냉각모드가 수행된다.

부품냉각모드, 즉 상기 제1 및 제2냉각모드에서 워터펌프(2)의 작동량(구동 전력 및 회전수에 해당함)은 전장부품 온도와 미리 설정되는 관리값인 K의 차이, 즉 온도 초과량에 비례하여 제어되며, 온도 초과량이 클수록 워터펌프(2)의 작동량을 증대시킨다.

도 4의 (b)를 참조하면, 부품냉각모드에서 워터펌프의 작동량을 온도 초과량에 비례하여 제어함을 나타내고 있다.

또한 공조모드의 경우, 운전자가 공조스위치를 조작하여 목포온도를 설정한 뒤 공조블로워(31)와 전기히터(PTC 히터)(30)의 통상적인 작동조건일 경우에만 공조모드가 수행된다.

또한 공조모드와 부품웜업모드는 전장부품 온도 조건, 즉 온도 임계치가 도 3에 나타낸 바와 같이 동일하게 설정될 수 있으나, 부품웜업모드는 공조블로워(31)와 전기히터(30)의 작동조건이 아닐 경우에 해당된다.

또한 공조블로워(31)와 전기히터(30)의 작동조건에서 제2군 전장부품(LDC,충전기)(6)의 온도가 임계치 이상이 되는 경우, 멀티제어밸브(10)의 제2 및 제3출구포트(13,14)를 동시에 열어주어 공조모드와 함께 제2냉각모드가 동시에 수행된다.

여기서, 공조모드가 수행되는 상태, 즉 공조모드 단독이거나 공조모드와 제2냉각모드가 동시에 수행되는 상태에서, 수온센서에 의해 검출된 냉각수온(제1군의 전장부품인 인버터 및 구동모터를 통과한 냉각수의 온도)이 '공기온센서에 의해 검출된 공기온(히터코어 후단의 공기 온도) + 설정값(α)'보다 높은 경우 공조블로워(31)의 작동량(즉 블로워 세기, 구동 전력 및 회전수에 해당함)에 따라 워터펌프(2)의 작동량(구동 전력 및 회전수에 해당함)을 제어한다.

단, 냉각수온이 '공기온+설정값(α)' 이하인 경우라면 워터펌프(2)의 작동을 오프시킨다.

도 4의 (a)를 참조하면, 공조모드 진입 후 냉각수온이 '공기온+설정값(α)'보다 높은 경우 워터펌프의 작동량을 공조블로워의 작동량에 따라 제어함을 나타내고 있다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였는 바, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것이 아니고, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

1 : 냉각수 탱크 2 : 워터펌프
3 : 제1군 전장부품 4 : 인버터
5 : 구동모터 6 : 제2군 전장부품
7 : LDC 8 : 충전기
9a, 9b, 9c : 냉각수 라인 10 : 멀티제어밸브
11 : 입구포트 12 : 제1출구포트
13 : 제2출구포트 14 : 제3출구포트
21 : 방열기 22 : 히터코어
30 : 전기히터(PTC 히터) 31 : 공조블로워

Claims

냉각수를 압송하여 순환시키는 전동식 워터펌프와;
냉각수의 열을 방출하기 위한 방열기와;
공조블로워에 의해 차량 실내로 토출되는 공기에 냉각수의 열을 방출하여 공급하는 히터코어와;
상기 워터펌프에 의해 압송되는 냉각수가 복수의 전장부품을 통과한 뒤 방열기, 히터코어를 통과하여 순환되도록 구비되는 냉각수 라인과;
상기 각 전장부품의 온도를 검출하는 부품온센서;를 포함하고,
상기 복수의 전장부품이 냉각수 라인에 의해 각각 별도로 직렬 연결된 제1군의 전장부품과 제2군의 전장부품으로 구분되며,
상기 제1군의 전장부품이 연결된 냉각수 라인과, 상기 제2군의 전장부품이 연결된 냉각수 라인 사이에는 상기 부품온센서의 검출신호에 따라 제어기에 의해 개폐상태가 제어되는 멀티제어밸브가 설치되고,
상기 멀티제어밸브는, 상기 제1군의 전장부품을 통과한 냉각수를, 방열기로 연결된 냉각수 라인1, 제2군의 전장부품으로 연결된 냉각수 라인2, 히터코어로 연결된 냉각수 라인3 중 하나 이상의 선택된 경로로 공급하도록 개폐상태가 제어되는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 폐열 관리 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 제1군의 전장부품은 차량 주행 중 상대적으로 발열량이 큰 인버터와 구동모터를 포함하고, 상기 제2군의 전장부품은 상대적으로 발열량이 작은 DC-DC 컨버터와, 배터리 충전 중 발열되는 충전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 폐열 관리 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 제1군의 전장부품을 통과한 냉각수의 온도를 검출하는 수온센서와;
상기 히터코어 후단의 공기 온도를 검출하는 공기온센서;를 더 포함하고,
상기 제어기가 부품온센서와 수온센서, 공기온센서의 검출신호에 기초하여 상기 워터펌프의 작동을 제어하도록 된 것을 특징으로 하는 전기자동차의 폐열 관리 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 제어기가 상기 멀티제어밸브의 개폐상태를 제어함으로써,
상기 제1군의 전장부품을 통과한 냉각수가 냉각수 라인1로 공급되어 제1군의 전장부품만 냉각되는 제1냉각모드와;
상기 제1군의 전장부품을 통과한 냉각수가 냉각수 라인2로 공급되어 제1 및 제2군의 전장부품이 웜업되는 부품워엄모드와;
상기 제1군의 전장부품을 통과한 냉각수가 냉각수 라인3으로 공급되어 히터코어에 의해 승온된 공기가 차량 실내로 공급되는 공조모드와;
상기 제1군의 전장부품을 통과한 냉각수가 냉각수 라인1 및 냉각수 라인2로 동시 공급되어 제1군 및 제2군의 전장부품 전체가 냉각되는 제2냉각모드;의 작동모드 중 어느 하나로 제어되는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 폐열 관리 시스템.
청구항 4에 있어서,
상기 작동모드가 제1군의 전장부품을 통과한 냉각수가 냉각수 라인2 및 냉각수 라인3으로 동시 공급되어 공조모드 및 제2냉각모드가 동시 수행되는 모드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 폐열 관리 시스템.
청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
상기 공조모드는 공조블로워 및 전기히터의 작동조건에서 수행되는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 폐열 관리 시스템.
청구항 6에 있어서,
상기 공조모드는 '수온센서에 의해 검출된 냉각수온 > 공기온센서에 의해 검출된 히터코어 후단의 공기 온도 + α' 인 경우 워터펌프를 작동시켜 수행되는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 폐열 관리 시스템.
(여기서, 냉각수온은 제1군의 전장부품을 통과한 냉각수 온도이고, α는 미리 설정되는 값임)
청구항 7에 있어서,
상기 워터펌프의 작동량은 공조블로워의 작동량에 따라 제어되는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 폐열 관리 시스템.
청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
제1냉각모드는 제2군에 포함된 전장부품의 온도가 미리 설정된 온도 임계치 미만일 경우 수행되고, 제2냉각모드는 제2군에 포함된 전장부품의 온도가 미리 설정된 온도 임계치 이상일 경우 수행되는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 폐열 관리 시스템.
청구항 9에 있어서,
상기 제1냉각모드 및 제2냉각모드에서 워터펌프의 작동량은 전장부품의 온도와 관리값인 K의 차이에 비례하여 제어되고, 상기 차이가 클수록 워터펌프의 작동량을 증대시키는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 폐열 관리 시스템.
청구항 4에 있어서,
상기 부품워엄모드에서 제1군 전장부품 중 하나의 온도가 해당 부품의 효율을 고려하여 미리 설정되는 설정온도보다 높은 경우 워터펌프를 작동시키고, 그렇지 않은 경우 워터펌프를 오프시키는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 폐열 관리 시스템.