KR101436960B1

KR101436960B1 - 냉난방 공조시스템과 연계한 전기차 배터리 온도관리 시스템 및 그 운용방법

Info

Publication number: KR101436960B1
Application number: KR1020120131786A
Authority: KR
Inventors: 최규정; 박사무엘준
Original assignee: 대한칼소닉주식회사
Priority date: 2012-11-20
Filing date: 2012-11-20
Publication date: 2014-09-16
Also published as: KR20140066806A

Abstract

냉난방 공조시스템과 연계한 전기차 배터리 온도관리 시스템을 개시한다. 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 온도관리 시스템은, 열매체를 저장하는 열매체 리저버와, 배터리와 접촉하고 열매체 순환 가능하게 이루어져 내부를 순환하는 열매체를 이용해 배터리를 냉각 또는 예열시키는 배터리 열교환기를 포함하며, 열매체 리저버와 배터리 열교환기를 연결하는 연결라인에는 워터펌프와 가열수단이 설치되고, 배터리 열교환기와 열매체 리저버는 증발기가 내설된 인테이크 덕트의 내부를 경유하는 리턴라인으로 연결되어 열매체가 순환될 수 있으며, 인테이크 덕트 내 리턴라인에는 보조 열교환기가 설치되고, 상기 연결라인에서 분기되고 인테이크 덕트 내부를 경유하여 열매체 리저버로 이어지는 분기라인 상의 인테이크 덕트 내에는 히트 코어가 마련되는 것을 구성의 요지로 한다.

Description

냉난방 공조시스템과 연계한 전기차 배터리 온도관리 시스템 및 그 운용방법{Electric vehicle battery temperature management system conjunction with the HVAC system and its operating method}

본 발명은 전기차 배터리 온도관리 시스템 및 그 운용방법에 관한 것으로, 상세하게는 에너지의 보다 효율적 활용의 도모를 위해 차량 냉난방 공조시스템과 연계하여 배터리를 냉각 또는 예열시킬 수 있도록 시스템을 구성한 냉난방 공조시스템과 연계한 전기차 배터리 온도관리 시스템 및 그 운용방법에 관한 것이다.

최근 환경친화적 기술의 구현 및 에너지 고갈 등의 문제해결을 사회적 이슈로 대두되고 있는 것이 전기 자동차이다. 전기 자동차는 배터리로부터 전기를 공급받아 동력을 출력하는 모터를 이용하여 작동하고, 따라서 이산화탄소의 배출이 없고, 소음이 아주 작으며, 모터의 에너지효율은 엔진의 에너지효율보다 높은 장점이 있어 친환경 자동차로 각광받고 있다.

이런 전기 자동차를 구현함에 있어 핵심기술은 배터리 모듈과 관련한 기술이며, 최근 배터리의 경량, 소형화, 짧은 충전시간 등에 대한 연구가 활발히 이루어 지고 있다. 배터리 모듈은 최적의 온도환경에서 사용하여야 최적의 성능과 긴 수명을 유지할 수 있다. 그러나 구동 중 발생하는 열과 외부의 온도변화에 의해 최적의 온도환경에서 사용하기 어렵다.

배터리 모듈의 최적의 온도환경 유지를 위해 종래에는, 배터리 모듈 온도조절을 위한 냉난방 시스템을 차량 실내 공조를 위한 냉난방 시스템과는 별도로 운용하는 기술을 채택하고 있다. 즉, 독립된 2개의 냉난방 시스템을 구축하여 하나는 실내 냉난방에 사용하고, 다른 하나는 배터리 모듈 온도조절을 위한 용도로 활용하고 있는 것이다.

이처럼 두 개의 냉난방 시스템을 독립적으로 운영하는 것은 배터리 모듈이 최적의 성능 발휘를 위한 온도환경을 용이하게 구현할 수 있다는 측면에서 이점이 있다. 그러나 차량의 전체적인 전력 소비율이 현저히 커져 전체적으로 에너지 효율이 크게 떨어지고, 이 때문에 1회 충전으로 주행할 수 있는 거리가 크게 줄어드는 단점이 있다.

대한민국 특허공개 제2011-0117598호

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 차량 냉난방 공조시스템과 연계하여 배터리를 냉각 또는 예열시킬 수 있도록 시스템을 구성함으로써, 에너지의 보다 효율적 활용을 도모하고 에너지 절감을 구현할 수 있는 냉난방 공조시스템과 연계한 전기차 배터리 온도관리 시스템 및 그 운용방법을 제공하고자 하는 것이다.

과제 해결을 위한 수단으로서 본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리를 냉각시키거나 예열시키기 위한 전기자동차용 배터리 온도관리 시스템에 있어서, 냉방을 위한 주요기기(압축기, 콘덴서, 팽창밸브, 증발기)와, 열매체(냉각수)를 저장하는 열매체 리저버와, 배터리와 접촉하고 열매체 순환 가능하게 이루어져 내부를 순환하는 열매체를 이용해 배터리를 냉각 또는 예열시키는 배터리 열교환기를 포함하며, 상기 열매체 리저버와 배터리 열교환기를 연결하는 연결라인에는 워터펌프와 가열수단이 설치되고, 상기 배터리 열교환기와 열매체 리저버는 증발기가 내설된 인테이크 덕트의 내부를 경유하는 리턴라인으로 연결되어 열매체가 순환될 수 있으며, 상기 인테이크 덕트 내 리턴라인에는 보조 열교환기가 설치되고, 상기 연결라인에서 분기되고 인테이크 덕트 내부를 경유하여 열매체 리저버로 이어지는 분기라인 상의 인테이크 덕트 내에는 히트 코어가 마련되는 것을 특징으로 하는 냉난방 공조시스템과 연계한 전기차 배터리 온도관리 시스템을 제공한다.

일 측면에서 상기 히트 코어 입구측 분기라인과 워터펌프 출구측 연결라인을 연결하여 냉방 가동 시 히트 코어를 경유하는 열매체의 순환경로를 짧게 하는 바이패스라인을 더 포함할 수 있다.

또한, 냉방 시스템을 구성하는 콘덴서(응축기)와 상기 증발기를 연결하는 냉매라인으로부터 분기되는 냉매순환보조라인을 더 구비하고, 상기 냉매순환보조라인에는 이 냉매순환보조라인과 상기 연결라인을 상호 열교환 가능하게 접촉시켜, 냉방 가동 시 상기 연결라인을 흐르는 열매체가 냉매순환보조라인을 흐르는 저온의 냉매에 의해 냉각될 수 있도록 기능하는 냉각기가 마련될 수 있다.

이 경우 상기 냉각기는, 상기 냉매순환보조라인과 연결라인이 각각 연결되는 두 통로 사이로 열전달물질이 채워진 구성의 냉각기(chiller)일 수 있다.

또한, 상기 보조 열교환기는 덕트 내 흡기 이동방향을 기준으로 냉매가 순환하고 흡기와 열교환하는 증발기 전방으로 설치되고, 상기 히트 코어는 상기 증발기 후방의 공조된 공기가 토출되는 토출댐퍼 측에 근접해서 설치될 수 있다.

그리고, 일 측면에 적용된 상기 배터리 열교환기는, 나란히 인접 배치된 복수의 배터리 셀 상면에 접촉하는 상부 열매체 순환관과, 상기 상부 열매체 순환관과 연결되고 복수의 배터리 셀 하면과 접촉하는 하부 열매체 순환관을 포함하고, 열매체가 상부 열매체 순환관으로 들어가서 배터리 사이를 지나 하부 열매체 순환관으로 빠져나올 수 있도록 된 구성일 수 있다.

과제 해결을 위한 수단으로서 본 발명의 다른 측면에 따르면,

ⅰ) 가열수단을 통해 열매체를 설정온도로 가열시키고, 설정온도로 가열된 열매체를 워터펌프를 이용하여 배터리 열교환기 측 열매체 순환경로로 순환시켜 배터리를 예열시키는 동절기 모드;

ⅱ) 증발기에 의해 차가워진 공기를 이용하여 바이패스라인을 통해 히트 코어 내부를 흐르는 열매체를 냉각시키고, 냉각된 열매체를 워터펌프를 이용하여 배터리 열교환기 측 열매체 순환경로로 순환시켜 배터리를 냉각시키는 하절기 모드;

로 구분하여 운용되는 냉난방 공조시스템과 연계한 전기차 배터리 온도관리 시스템의 운용방법을 제공한다.

이때 상기 동절기 모드는, 연결라인과 분기라인이 분기되는 지점에 설치되는 3-WAY 밸브의 배터리 열교환기 측 유로만 개방하여, 가열수단을 통과하면서 지정된 온도로 가열된 열매체를 이용하여 배터리를 빠르게 예열시키는 시동초기 모드; 및 시동초기 모드를 통해 배터리 온도가 설정된 정상범위에 도달한 경우, 연결라인과 분기라인이 분기되는 지점에 설치되는 3-WAY 밸브의 배터리 열교환기 측과 히트 코어 측 유로를 모두 개방하고 블로워(blower)를 구동하여, 차량 실내 난방과 배터리 온도관리 동시에 행해지도록 하되, 배터리 예열 후 남는 열 에너지는 보조 열교환기를 통해 블로워에 의해 강제 도입되는 흡기의 온도를 1차적으로 상승시킬 수 있도록 한 난방 모드;로 구별되어 운용될 수 있다.

그리고, 상기 하절기 모드를 통해 배터리를 냉각시킴에 있어 배터리 냉각 열량이 부족하면, 냉매순환보조라인을 오픈하여 냉각기로 냉매를 순환시켜 열매체를 직접 냉각시킬 수 있도록 하고, 남는 에너지는 보조 열교환기를 통해 실내 냉방용으로 활용할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

상기 본 발명의 다른 측면은 또한, 외기온도검출센서(AMB SENSOR)를 통해 검출된 결과를 기반으로, 외기온도가 미리 입력된 기준온도보다 낮으면 상기 동절기 모드로 배터리 예열과 실내 난방이 행해지도록 하고, 외기온도가 상기 기준온도보다 높으면 상기 하절기 모드로 배터리 냉각과 실내 냉방이 행해지도록 하며, 외기온도가 상기 기준온도로 설정된 범위 이내이면 외기를 이용하여 배터리를 냉각시킬 수 있도록 하는 춘추절 모드;를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 겨울철 동절기 모드에서는 히터로 열매체(냉각수)를 빠르게 가열하여 배터리를 예열하고 예열 후 남는 에너지를 외기와 1차로 열교환시킴으로써 난방효율을 높일 수 있고, 여름철 하절기 모드에서는 증발기(EVAP)에 의해 차가워진 공기로 열매체를 빠르게 냉각시켜 배터리를 냉각하고 냉각 후 남는 열에너지를 외부에서 유입되는 뜨거운 공기와 열교환시킴으로써 냉방효율을 높일 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 배터리 온도관리 시스템에 의하면, 차량의 냉난방 공조시스템과 연계하여 배터리를 냉각 또는 예열시킬 수 있도록 시스템이 구성됨으로써, 효과적인 배터리 냉각/예열은 물론, 남는 에너지의 재활용을 통해 에너지의 절감과 에너지 효율의 큰 향상을 기대할 수 있다. 결과적으로, 1회 충전으로 긴 주행이 가능한 전기 자동차를 구현함에 있어 유리하다는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 냉난방 공조시스템과 연계한 전기차 배터리 온도관리 시스템의 시스템 구성도.
도 2는 동절기 모드에서 시동 초기 배터리 온도관리를 위한 시스템 작동상태도.
도 3은 도 2에 나타난 시스템 작동상태를 개략적으로 도시한 블록도.
도 4 는 동절기 모드에서 배터리 온도가 정상범위에 도달한 경우에 있어서의 시스템 작동상태도.
도 5는 도 4에 나타난 시스템 작동상태를 개략적으로 도시한 블록도.
도 6은 하절기 모드에서 배터리 온도관리를 위한 시스템 작동상태도.
도 7은 도 6에 나타난 시스템 작동상태를 개략적으로 도시한 블록도.
도 8은 하절기 모드에서 냉각 열량이 부족한 경우에 있어서의 시스템 작동상태도.
도 9는 도 8에 나타난 시스템 작동상태를 개략적으로 도시한 블록도.
도 10은 춘추절 모드에서 외기를 이용해 배터리 온도를 관리하는 시스템 작동상태를 개략적으로 도시한 블록도.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 공지된 구성에 대해서는 그 상세한 설명은 생략하며, 또한 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 소지가 있는 구성에 대해서도 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명과 관련한 전기차 배터리 온도관리 시스템(Battery temperature management system)은, 여름철 배터리 냉각이 요구되는 경우 차량 냉방 시스템과 연계하고, 겨울철 배터리 정상동작을 위해 배터리 예열이 요구되는 경우에는 차량 난방시스템에 연계하여 배터리를 냉각시키거나 예열시킬 수 있도록 시스템을 구성하고 있다.

도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 냉난방 공조시스템과 연계한 전기차 배터리 온도관리 시스템의 시스템 구성도를 나타내고 있다. 이를 참조하여 일 측면에 따른 배터리 온도관리 시스템의 전체적인 구성에 대해 먼저 살펴보기로 한다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 전기차 배터리 온도관리 시스템은, 열매체 예를 들어, 냉각수(coolant)를 저장하는 열매체 리저버(reservoir, 10)를 구비한다. 또한 배터리 모듈(이하, 설명의 편의를 위해 '배터리(17)'라 약칭 함)과 접촉하고 열매체 순환 가능하게 이루어져 내부를 순환하는 열매체를 이용해 배터리(17)를 냉각 또는 예열시키는 배터리 열교환기(16)를 포함한다.

열매체 리저버(reservoir, 10)는 열매체가 가진 에너지를 보호할 수 있는 보온, 보냉 기능을 가지고 배터리(17) 냉각/예열에 있어 충분한 여유분의 열매체를 수용할 수 있는 체적의 용기일 수 있으며, 배터리 열교환기(16)는 배터리(17) 표면에 접촉하고 열매체가 순환할 수 있는 순환경로를 내부에 구비하는 공지된 여러 형태의 열교환기 구성일 수 있다.

배터리 열교환기(16)는 예컨대, 인접 배치된 복수의 배터리(17) 셀 상면에 접촉하는 상부 열매체 순환관(160)과, 상부 열매체 순환관(160)과 연결되고 복수의 배터리(17) 셀 하면과 접촉하는 하부 열매체 순환관(162)으로 구성되고, 상부 열매체 순환관으로 들어온 열매체가 배터리 사이를 지나 하부 열매체 순환관으로 흘러 들어 갈 수 있도록 된 것일 수 있다.

열매체 리저버(10)과 배터리 열교환기(16)는 연결라인(L1)을 통해 상호 연결됨으로써, 열매체 리저버(10)에서 배터리 열교환기(16)로 열매체가 이동될 수 있으며, 상기 연결라인(L1) 상에는 열매체 리저버(10)로부터 열매체의 이동방향을 기준으로 열매체 순환을 위한 워터펌프(12)와 가열수단(14) 예컨데, 직수식 전기히터가 차례로 설치된다.

가열수단(14)은 동절기 난방가동 시 배터리(17) 전기에 의해 발열되어 상기 워터펌프(12)가 강제 순환시키는 열매체를 설정온도로 가열시키고, 설정온도로 가열된 열매체는 가열수단(14)과 배터리 열교환기(16)를 잇는 상기 연결라인(L1) 상에 마련되는 3-WAY 밸브(40)의 유로제어를 통해, 난방용 및 상기 배터리 열교환기(16) 예열용으로 공급된다.

가열수단(14)은 예를 들어, 온도상승이 빠르고 소비전력이 낮은 티탄산바륨계(系) PTC(Positive Temperature Coefficient) 발열체가 적용된 PTC 히터일 수 있고, 운전자 버튼조작 시 차량 ECU가 인식한 조작 값 또는 오토모드인 경우 외기온도검출센서(AMB SENSOR)를 통해 획득된 외기온도 검출 결과에 기반한 상기 ECU 제어에 따라 발열량이 조절된다.

배터리 열교환기(16)와 상기 열매체 리저버(10)는 냉방 시스템을 구성하는 증발기(EVAP, 24)가 내설된 인테이크 덕트(30)의 내부를 경유하는 리턴라인(L2)으로 연결됨에 따라, 상기 연결라인(L1)과 함께 열매체가 순환할 수 있는 하나의 순환라인을 형성하며, 인테이크 덕트(30)를 내부를 경유하는 리턴라인(L2)에는 보조 열교환기(Sub heat exchanger, 18)가 설치된다.

보조 열교환기(Sub heat exchanger, 18)에 의해서는, 배터리(17) 냉각(하절기) 또는 배터리(17) 예열(동절기) 후 남은 에너지를 활용하여 흡기(내기 또는 외기)를 본격적으로 냉각 또는 가열시키기 전 그 흡기에 대한 1차 냉각 또는 가열이 행해지며, 이에 따라 시스템 전체적으로 에너지 효율이 크게 향상될 수 있다.

본 발명에 따른 전기차 배터리(17) 온도관리 시스템은 또한, 상기 인테이크 덕트(30) 내에 배치되는 히트 코어(Heater core, 19)를 포함한다. 히트 코어(19)는 상기 연결라인(L1)에서 분기되고 인테이크 덕트(30) 내부를 경유하여 상기 열매체 리저버(10)로 연속되는 분기라인(L3) 중 상기 인테이크 덕트(30) 내부를 경유하는 분기라인(L3) 상에 설치된다.

연결라인(L1)과 분기라인(L3)이 분기되는 지점에는 유로의 선택적 개방을 위해 기능하는 앞서 설명한 3-WAY 밸브(40)가 설치되어 있으며, 상기 히트 코어(19) 입구측 분기라인(L3)과 워터펌프(12) 출구측 연결라인(L1)이 바이패스라인(L4)을 통해 상호 연결되어 냉방 가동 시 열매체는 상기 바이패스라인(L4)이 형성하는 짧은 경로를 통해 히트 코어(19)를 경유할 수 있다.

바이패스라인(L4) 상에 마련되는 도면부호 13은, 바이패스라인(L4)을 통해 히트 코어(19)로 이동하는 열매체의 이동을 단속하는 전자제어식 체크밸브이며, 상기 전자제어식 체크밸브(13)는 운전자 조작 또는 외기온도검출센서(AMB SENSOR)를 통해 획득된 외기온도 검출 결과에 기반한 ECU 제어에 따라 동작하여 바이패스라인(L4)을 선택적으로 개폐한다.

보조 열교환기(18)는 기능상 배터리(17)를 냉각/예열하고 남는 에너지를 가져다 흡기를 1차적으로 냉각/예열시키기 위해 기능하므로, 인테이크 덕트(30) 내 흡기의 이동방향을 기준으로 증발기(24) 전방에 배치시키고, 냉방가동 시 증발기(24)에서 냉각된 흡기를 이용하여 열매체를 냉각시킬 수 있도록, 히트 코어(19)는 증발기(24) 후방으로 배치하는 것이 좋다.

본 발명에 따른 온도관리 시스템은 또한, 냉방 시스템을 구성하는 콘덴서(응축기, 20)와 상기 증발기(24)를 연결하는 냉매라인에서 분기되는 냉매순환보조라인(R1)을 포함한다. 냉매순환보조라인(R1)은 도면을 통해 개략적으로 도시한 바와 같이, 배터리 열교환기(16) 측을 우회하여 원래의 냉매라인, 구체적으로는 증발기(24)와 압축기를 연결하는 냉매라인에 합류한다.

배터리 열교환기(16) 방향으로 우회하는 상기 냉매순환보조라인(R1)에는 냉각기(15)가 마련되고, 냉각기(15)는 상기 냉매순환보조라인(R1)과 열매체가 순환하는 전술한 연결라인(L1)을 상호 열교환 가능하게 접촉시키는 기능을 한다. 따라서 배터리(17) 냉각열량이 부족하다면 경우에 따라, 냉매순환보조라인(R1)을 흐르는 저온의 냉매를 이용하여 열매체를 냉각시킬 수도 있다.

냉각기(15)는 냉매순환보조라인(R1)과 연결라인(L1)이 각각 연결되는 두 통로를 형성한 열교환체 사이로 열전도성이 우수한 열전달물질 예컨대, 알루미늄(AL)이나 구리(CU) 등의 금속물질이 채워진 칠러(chiller)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 서로 다른 경로를 흐르는 냉매와 열매체 간 효율적인 열교환을 구현할 수 있는 구성이면 특별한 제한 없다.

도면상 미설명 부호 26은 차량 냉방시스템을 구현하는 필수구성인 압축기이고, 20은 콘덴서(응축기)를 가리키며, 22는 팽창밸브(TXV, Thermal expansion valve)를 나타내고 있다.

상기한 구성으로 이루어진 본 발명의 일 측면에 따른 냉난방 공조시스템과 연계한 전기차 배터리 온도관리 시스템에 의해 행해지는 전기차 배터리 온도관리를 위한 시스템 작동에 대해 본 발명의 다른 측면에 따른 시스템 운영과 연계하여 살펴보기로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 냉난방 공조시스템과 연계한 전기차 배터리 온도관리 시스템에 의해 행해지는 배터리 온도관리는 크게, 동절기, 하절기, 그리고, 춘추절로 구분하여 해당 계절에 따라 배터리가 최적의 성능을 발휘할 수 있는 온도를 유지시키기 위해 배터리를 예열시키거나 냉각시키는 방식으로 행해진다.

도 2는 동절기 모드에서 시동 초기 배터리 온도관리를 위한 시스템의 작동을 나타낸 도면이며, 도 3은 도 2에 나타난 시스템 작동상태를 개략적으로 도시한 블록도이다. 이를 참조하여 먼저, 겨울철 배터리 온도관리를 위한 시스템 운영 즉, 동절기 모드에서의 시스템 동작에 대해 살펴보기로 한다.

도 2 내지 도 3을 참조하면, 동절기 배터리(17) 온도가 최적의 성능을 발휘할 수 있는 정상온도 보다 낮은 상태에서 시동을 걸면, BMS(배터리 관리시스템) 등에 의해 획득되는 배터리 온도 검출 결과에 기반하여 ECU가 가열수단(PCT 히터, 14)에 작동신호를 전달하고, ECU에서 전달된 명령 값으로 가열수단(14)이 빠르게 발열한다.

가열수단(14) 동작과 함께 시동 초기에는, 연결라인(L1)과 분기라인(L3)이 분기되는 지점에 설치된 3-WAY 밸브(40)에 의해 배터리 열교환기(16) 측을 향하는 유로만이 개방되어 있으며, 따라서 가열수단(14)에 의해 지정된 온도로 가열된 열매체는 워터펌프(12) 구동으로 배터리 열교환기(16) 측 열매체 순환경로(배터리 열교환기(16)의 입구와 출구에 각각 연결되는 연결라인(L1)과 리턴라인(L2)이 구성하는 순환경로)를 따라 순환하면서 배터리(17)를 빠르게 예열시킨다.

시동 초기 위와 같은 빠른 배터리(17) 예열로 배터리(17)의 온도가 정상범위에 도달하게 되면, 도 4 내지 도 5와 같이 3-WAY 밸브(40)가 동작시켜 배터리 열교환기(16)와 보조 열교환기(18)을 향하는 유로를 모두 개방하도록 하고, 일정 온도로 가열된 열매체가 배터리 열교환기(16) 측 열매체 순환경로와, 히트 코어(19) 측 열매체 순환경로를 따라 동시 순환되도록 한다.

그러면, 히트 코어(19)를 순환하는 열매체는 인테이크 덕트(30) 내에서 차가운 흡기와 열교환하게 되고, 히트 코어(19)에 의해 따뜻해진 흡기는 블로워(32)에 의해 강제 송출에 의해 토출댐퍼를 통해 실내 난방용으로 제공됨으로써 차량 난방을 구현하며, 배터리 열교환기(16)를 순환하는 열매체는 배터리(17) 온도를 정상범위로 유지시키기 위해 기능한다.

이 경우, 인테이크 모드는 내기 또는 외기이며 실내 난방을 위해 위와 같인 블로워(32)(blower, 32)가 구동함으로써, 배터리 열교환기(16)를 순환하면서 배터리(17)를 예열시킨 후 남는 열에너지는, 인테이크 덕트(30)를 경유하는 리턴라인(L2) 상의 보조 열교환기(Sub heat exchanger, 18)에 흐르면서 흡기(내기 또는 외기)를 1차적으로 예열하는 데에 쓰이게 된다.

즉, 히트 코어(19)를 흐르는 뜨거운 열매체를 활용하여 난방용 공기를 생성하고 실내로 강제 도입시킴에 있어, 상기 보조 열교환기(18)를 경유하는 잉여 열에너지를 통해 흡기(내기 또는 외기)가 1차적으로 예열된 상태로 히트 코어(19) 측으로 보내짐으로써, 전체 시스템으로 봤을 때 난방을 위해 소비되는 열에너지는 줄어들게 되는 것이다.

다음으로 도 6 및 도 7을 참조하여 여름철 배터리 온도관리를 위한 시스템 운영 즉, 하절기 모드에서의 시스템 동작에 대해 살펴보기로 한다.

도 6 내지 도 7을 참조하면, 배터리 온도가 최적의 성능을 발휘할 수 있는 정상온도 보다 높은 하절기 실내 냉방을 위해 냉방 시스템을 가동시키면, 3-WAY 밸브(40)의 히트 코어(19) 측 유로는 폐쇄되고, 열매체 리저버(10)에서 히트 코어(19)를 짧게 연결하는 경로인 바이패스라인(L4)은 개방됨으로써, 일부 열매체는 바이패스라인(L4)을 통해 히트 코어(19)로 빠르게 공급된다.

냉방가동 시 강제 도입되는 흡기(내기 또는 외기)는 증발기(24)에 의해 차갑게 냉각되며, 냉각된 흡기에 의해 상기 바이패스라인(L4)을 통해 상기 히트 코어(19) 내부를 흐르는 열매체는 일정온도 이하로 냉각된다. 그리고 이 냉각된 열매체가 워터펌프(12)에 의해 배터리 열교환기(16) 측 열매체 순환경로를 순환하면서 배터리(17)를 냉각시키게 된다.

한편, 배터리 열교환기(16)를 거치면서 배터리(17)를 냉각시키고 남은 잉여 에너지는 전술한 동절기 모드와 마찬가지로, 인테이크 덕트(30)를 경유하는 리턴라인(L2) 상의 보조 열교환기(Sub heat exchanger, 18)에 흐르면서 실내 냉방용 흡기(내기 또는 외기)를 1차적으로 냉각하는 데에 쓰이게 됨으로써, 버려지는 에너지 없이 효율적으로 에너지를 활용할 수 있게 된다.

위와 같은 하절기 모드를 통해 배터리를 냉각시킴에 있어 배터리(17) 냉각 열량이 부족한 경우에는 도 8 내지 도 9와 같이, 냉매순환보조라인(R1)을 개방하여 냉각기(15)로 냉매를 순환시킴으로써, 저온저압 상태의 냉매를 이용하여 열매체를 직접 냉각시켜 부족한 냉각 열량을 보충하며, 남는 에너지는 마찬가지로 보조 열교환기(18)를 통해 실내 냉방용으로 활용한다.

한편, 아침 저녁으로 기온 차가 심한 춘추절에는, 차량 적소 예컨대, 인테이크 덕트(30) 외기 입구 측에 설치되는 외기온도검출센서(AMB SENSOR)가 검출하는 온도 검출결과에 기반하여, 배터리(17)가 최적의 성능을 발휘할 수 있는 온도를 유지시킬 수 있도록 배터리(17)를 예열시키거나 냉각시키기 위한 시스템 구동이 행해진다.

부연하면, 외기온도가 미리 입력된 기준온도보다 낮은 경우에는 전술한 동절기 모드 즉, 동절기 시동초기 모드(도 2 내지 도 3 참조)와 난방 모드(도 4 내지 도 5 참조)를 적용하여 배터리(17)를 빠르게 예열시키고 난방을 구현하며, 외기온도가 상기 기준온도보다 높으면 전술한 하절기 모드로 배터리(17) 냉각과 실내 냉방이 행해지도록 한다(도 6 내지 도 9 참조).

이와는 다르게, 외기온도검출센서(AMB SENSOR)에 의해 획득된 외기의 온도가 상기 기준온도로 설정된 범위 이내이면, 도 10과 같이 블로워(32)를 통해 외기를 강제 도입시키고, 강제 도입된 외기를 활용해 열매체 온도를 적정수준 냉각시켜 순환시킴으로써, 별도의 냉방 시스템 가동 없이도 배터리(17) 온도가 적정수준으로 유지될 수 있도록 한다.

이상에서 살펴본 본 발명의 실시예에 따르면, 겨울철 동절기 모드에서는 히터로 열매체(냉각수)를 빠르게 가열하여 배터리를 예열하고 예열 후 남는 에너지를 외기와 1차로 열교환시킴으로써 난방효율을 높일 수 있고, 여름철 하절기 모드에서는 증발기(EVAP)에 의해 차가워진 공기로 열매체를 빠르게 냉각시켜 배터리를 냉각하고 냉각 후 남는 열에너지를 외부에서 유입되는 뜨거운 공기와 열교환시킴으로써 냉방효율을 높일 수 있다.

이상의 본 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

10 : 열매체 리저버 12 : 워터펌프(water pump)
13 : 체크밸브 14 : 가열수단(PTC heater)
15 : 냉각기(chiller) 16 : 배터리 열교환기
17 : 배터리
18 : 보조 열교환기(sub heat exchanger)
19 : 히트 코어(heater core)
20 : 콘덴서(condenser, 응축기) 22 : 팽창밸브(TXV)
24 : 증발기(EVAP)
30 : 인테이크 덕트 32 : 블로워(blower)
40 : 3-WAY 밸브
L1, L2, L3 : 열매체 순환라인
R1 : 냉매순환보조라인

Claims

배터리를 냉각시키거나 예열시키기 위한 전기자동차용 배터리 온도관리 시스템에 있어서,
압축기(26), 콘덴서(20), 팽창밸브(22), 증발기(24)와, 열매체를 저장하는 열매체 리저버(10)와, 열매체를 이용해 배터리(17)를 냉각 또는 예열시키는 배터리 열교환기(16)를 포함하며,
상기 열매체 리저버(10)와 배터리 열교환기(16)를 연결하는 연결라인(L1)에는 워터펌프(12)와 가열수단(14)이 설치되고, 상기 배터리 열교환기(16)와 열매체 리저버(10)는 증발기(24)가 내설된 인테이크 덕트(30)의 내부를 경유하는 리턴라인(L2)으로 연결되어 열매체가 순환될 수 있으며,
상기 인테이크 덕트(30) 내 리턴라인(L2)에는 보조 열교환기(18)가 설치되고, 상기 연결라인(L1)에서 분기되고 인테이크 덕트(30) 내부를 경유하여 열매체 리저버(10)로 이어지는 분기라인(L3) 상의 인테이크 덕트(30) 내에는 히트 코어(19)가 마련되는 것을 특징으로 하는 냉난방 공조시스템과 연계한 전기차 배터리 온도관리 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 히트 코어(19) 입구측 분기라인(L3)과 워터펌프(12) 출구측 연결라인(L1)을 연결하여 냉방 가동 시 히트 코어(19)를 경유하는 열매체의 순환경로를 짧게 하는 바이패스라인(L4)을 더 포함하는 냉난방 공조시스템과 연계한 전기차 배터리 온도관리 시스템.
제 1 항에 있어서,
냉방 시스템을 구성하는 콘덴서(응축기, 20)와 상기 증발기(24)를 연결하는 냉매라인으로부터 분기되는 냉매순환보조라인(R1)을 더 구비하고,
상기 냉매순환보조라인(R1)에는 이 냉매순환보조라인(R1)과 상기 연결라인(L1)을 상호 열교환 가능하게 접촉시켜, 냉방 가동 시 상기 연결라인(L1)을 흐르는 열매체가 냉매순환보조라인(R1)을 흐르는 저온의 냉매에 의해 냉각될 수 있도록 기능하는 냉각기(15)가 마련되는 것을 특징으로 하는 냉난방 공조시스템과 연계한 전기차 배터리 온도관리 시스템.
제 3 항에 있어서,
상기 냉각기(15)는, 상기 냉매순환보조라인(R1)과 연결라인(L1)이 각각 연결되는 두 통로 사이로 열전달물질이 채워진 구성의 냉각기(chiller)인 것을 특징으로 하는 냉난방 공조시스템과 연계한 전기차 배터리 온도관리 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 보조 열교환기(18)는 덕트(30) 내 흡기 이동방향을 기준으로 냉매가 순환하고 흡기와 열교환하는 증발기(24) 전방으로 설치되고,
상기 히트 코어(19)는 상기 증발기(24) 후방의 공조된 공기가 토출되는 토출댐퍼 측에 근접해서 설치되는 것을 특징으로 하는 냉난방 공조시스템과 연계한 전기차 배터리 온도관리 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 배터리 열교환기(16)는,
나란히 인접 배치된 복수의 배터리 셀 상면에 접촉하는 상부 열매체 순환관(160)과,
상기 상부 열매체 순환관(160)과 연결되고 복수의 배터리 셀 하면과 접촉하는 하부 열매체 순환관(162)을 포함하고,
열매체가 상부 열매체 순환관(160)으로 들어가서 배터리(17) 사이를 지나 하부 열매체 순환관(162)으로 빠져나올 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 냉난방 공조시스템과 연계한 전기차 배터리 온도관리 시스템.
ⅰ) 제 1 항의 냉난방 공조시스템과 연계한 전기자 배터리 온도관리 시스템에서의 가열수단(14)을 통해 열매체를 설정온도로 가열시키고, 설정온도로 가열된 열매체를 워터펌프(12)를 이용하여 배터리 열교환기(16)의 입구와 출구에 각각 연결되는 연결라인(L1)과 리턴라인(L2)이 구성하는 열매체 순환경로를 순환시켜 상기 배터리 열교환기(16)에 둘러싸인 배터리(17)를 예열시키는 동절기 모드;
ⅱ) 증발기(24)에 의해 차가워진 공기를 이용하여 바이패스라인(L4)을 통해 히트 코어(19) 내부를 흐르는 열매체를 냉각시키고, 냉각된 열매체를 워터펌프(13)를 이용하여 배터리 열교환기(16)의 입구와 출구에 각각 연결되는 연결라인(L1)과 리턴라인(L2)이 구성하는 열매체 순환경로를 순환시켜 배터리를 냉각시키는 하절기 모드;
로 구분하여 운용하는 냉난방 공조시스템과 연계한 전기차 배터리 온도관리 시스템의 운용방법.
제 7 항에 있어서,
상기 동절기 모드는,
연결라인(L1)과 분기라인(L3)이 분기되는 지점에 설치되는 3-WAY 밸브(40)의 배터리 열교환기 측 유로만 개방하여, 가열수단(14)을 통과하면서 지정된 온도로 가열된 열매체를 이용하여 배터리(17)를 빠르게 예열시키는 시동초기 모드; 및
시동초기 모드를 통해 배터리 온도가 설정된 정상범위에 도달한 경우, 연결라인(L1)과 분기라인(L3)이 분기되는 지점에 설치되는 3-WAY 밸브(40)의 배터리 열교환기(16) 측과 히트 코어(19) 측 유로를 모두 개방하고 블로워(blower, 32)를 구동하여, 차량 실내 난방과 배터리 온도관리가 동시에 행해지도록 하되, 배터리(17) 예열 후 남는 열 에너지는 보조 열교환기(18)를 통해 블로워(32)에 의해 강제 도입되는 흡기의 온도를 1차적으로 상승시킬 수 있도록 한 난방 모드;로 구별되는 것을 특징으로 하는 냉난방 공조시스템과 연계한 전기차 배터리 온도관리 시스템의 운용방법.
제 7 항에 있어서,
상기 하절기 모드를 통해 배터리를 냉각시킴에 있어 배터리 냉각 열량이 부족하면, 콘덴서(응축기, 20)와 상기 증발기(24)를 연결하는 냉매라인으로부터 분기되고 냉각기(15)를 통해 상기 연결라인(L1)과 상호 열교환 가능하게 접촉된 냉매순환보조라인(R1)을 오픈하여 상기 냉각기(15)로 냉매를 순환시켜 열매체를 직접 냉각시킬 수 있도록 하고, 남는 에너지는 보조 열교환기(18)를 통해 실내 냉방용으로 활용할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 냉난방 공조시스템과 연계한 전기차 배터리 온도관리 시스템의 운용방법.
제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
외기온도검출센서(AMB SENSOR)를 통해 검출된 결과를 기반으로, 외기온도가 미리 입력된 기준온도보다 낮으면 동절기 모드로 배터리 예열과 실내 난방이 행해지도록 하고, 외기온도가 상기 기준온도보다 높으면 하절기 모드로 배터리 냉각과 실내 냉방이 행해지도록 하며,
외기온도가 상기 기준온도로 설정된 범위 이내이면 외기를 이용하여 배터리를 냉각시킬 수 있도록 하는 춘추절 모드;를 더 포함하는 냉난방 공조시스템과 연계한 전기차 배터리 온도관리 시스템의 운용방법.