KR101628120B1 - 차량용 배터리 냉각 시스템 - Google Patents

Abstract

차량용 배터리 냉각 시스템이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템은 수랭식 컨덴서와 공랭식 컨덴서를 포함하여 구성된 에어컨수단을 순환하는 냉매와 열교환되는 냉각수를 통해 전장품을 포함한 모터모듈을 냉각하는 전장용 냉각수단을 배터리 냉각배관을 통해 연결하여 차량에 탑재된 배터리를 웜업 또는 냉각시키기 위한 것으로, 상기 전장용 냉각수단의 냉각배관과 상기 배터리 냉각배관을 선택적으로 연결하는 밸브; 상기 밸브와 상기 배터리 사이에서 상기 배터리 냉각배관 상에 구비되는 워터펌프; 상기 워터펌프와 상기 배터리 사이에서 상기 배터리 냉각배관 상에 구비되며, 상기 에어컨수단의 냉매배관과 연결되어 내부로 유입되는 냉각수와 냉매를 선택적으로 열교환시키는 칠러; 및 상기 칠러와 상기 배터리 사이에서 상기 배터리 냉각배관에 구비되는 전기식 가열기를 포함한다.

Description

차량용 배터리 냉각 시스템{BETTERLY COOLING SYSTEM FOR VEHICLE}

본 발명은 차량용 배터리 냉각 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전기자동차 또는 하이브리드 차량에서 에어컨수단과, 모터와 전장품에 냉각수를 순환시키는 전장용 냉각수단을 연동시키고, 이 전장용 냉각수단을 순환하는 냉각수를 이용해 차량의 상태에 따라 배터리를 웜업 또는 냉각시키도록 하는 차량용 배터리 냉각 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 차량에 적용되는 공기조화장치는 자동차의 실내를 냉난방하기 위한 공조장치인 에어컨수단을 포함한다.

이러한 에어컨수단은 외부의 온도변화에 관계없이 자동차 실내의 온도를 적당한 온도로 유지하여 쾌적한 실내환경을 유지할 수 있도록 하는 것으로 압축기의 구동에 의하여 토출되는 냉매가 응축기, 리시버 드라이어, 팽창밸브 및 증발기를 거쳐 다시 압축기로 순환하는 과정에서 증발기에 의한 열교환에 의하여 자동차의 실내를 난방 또는 냉방하도록 구성된다.

즉, 에어컨수단은 여름철 냉방모드 시에는 압축기로부터 압축된 고온, 고압의 기상냉매가 응축기를 통하여 응축된 후 리시버 드라이어 및 팽창밸브를 거쳐 증발기에서의 증발을 통하여 실내의 온도 및 습도를 낮추게 된다.

한편, 최근 에너지 효율과 환경오염 문제에 대한 관심이 날로 커지면서 내연기관 자동차를 실질적으로 대체할 수 있는 친환경 자동차의 개발이 요구되고 있으며, 이러한 친환경 자동차는 보통 연료전지나 전기를 동력원으로 하여 구동되는 전기 자동차나, 엔진과 배터리를 이용하여 구동되는 하이브리드 자동차로 구분된다.

전기 자동차의 경우에는 산소와 수소의 화학적 반응 에너지를 전기 에너지로 전환하여 구동력을 발생시키게 되며, 이 과정에서 연료전지 내의 화학적 반응에 의해 열에너지가 발생되는 바, 발생된 열을 효과적으로 제거하는 것이 연료전지의 성능 확보에 있어 필수적이다.

그리고 하이브리드 자동차에서도 일반적인 연료로 작동하는 엔진과 함께, 상기한 연료전지나, 전기 배터리로부터 공급되는 전기를 이용해 모터를 구동시켜 구동력을 발생시키게 되는 바, 연료전지나 배터리, 및 모터로부터 발생되는 열을 효과적으로 제거해야만 모터의 성능을 확보할 수 있게 된다.

이에 따라, 상기와 같은 종래 기술에 따른 하이브리드 차량이나 전기 자동차에서는 모터와 전장품, 및 연료전지를 포함하는 배터리의 발열을 방지하도록 전장용 냉각수단, 및 에어컨수단과 함께, 배터리 냉각 시스템이 각각 별도의 밀폐회로로 구성됨에 따라, 차량의 전방에 배치되는 컨덴서와 각각의 라디에이터를 포함하는 쿨링모듈의 크기 및 중량이 증가되고, 엔진룸 내부에서 각각의 에어컨수단과 전장용 냉각수단 및 배터리 냉각 시스템으로 냉매 또는 냉각수를 공급하는 연결배관들의 레이아웃이 복잡해지게 된다.

또한, 배터리가 최적성능을 발휘되도록 차량의 상태에 따라 배터리를 웜업 또는 냉각시키는 배터리 냉각 시스템이 별도로 구비되는 바, 각 연결배관과 연결하기 위한 다수개의 밸브가 적용되고, 이 밸브들의 빈번한 개폐작동으로 인한 소음 및 진동이 차량 실내로 전달되어 승차감이 저하되는 등의 문제점도 내포하고 있다.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래 기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 전기자동차 또는 하이브리드 차량에서 에어컨수단과, 전장품을 포함하는 모터모듈에 냉각수를 순환시키는 전장용 냉각수단을 상호 연동시키고, 이 전장용 냉각수단을 순환하는 냉각수를 이용해 차량의 상태에 따라 배터리를 웜업 또는 냉각시킴으로써, 시스템의 단순화가 가능해지는 동시에, 보다 효율적으로 배터리를 웜업 및 냉각시켜 최적 성능 발휘를 통해 차량의 전체적인 주행거리를 증가시키도록 하는 차량용 배터리 냉각 시스템을 제공하고자 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템은 수랭식 컨덴서와 공랭식 컨덴서를 포함하여 구성된 에어컨수단을 순환하는 냉매와 열교환되는 냉각수를 통해 전장품을 포함한 모터모듈을 냉각하는 전장용 냉각수단을 배터리 냉각배관을 통해 연결하여 차량에 탑재된 배터리를 웜업 또는 냉각시키기 위한 것으로, 상기 전장용 냉각수단의 냉각배관과 상기 배터리 냉각배관을 선택적으로 연결하는 밸브; 상기 밸브와 상기 배터리 사이에서 상기 배터리 냉각배관 상에 구비되는 워터펌프; 상기 워터펌프와 상기 배터리 사이에서 상기 배터리 냉각배관 상에 구비되며, 상기 에어컨수단의 냉매배관과 연결되어 내부로 유입되는 냉각수와 냉매를 선택적으로 열교환 시키는 칠러; 및 상기 칠러와 상기 배터리 사이에서 상기 배터리 냉각배관에 구비되는 전기식 가열기를 포함한다.

상기 전장용 냉각수단은 차량의 전방에 배치되며, 후방에는 쿨링팬이 구비되는 전장용 라디에이터; 상기 전장용 라디에이터와 상기 모터모듈의 사이에서 상기 냉각배관 상에 구비되는 완속충전장치(On Board Charger); 상기 완속충전장치(On Board Charger)와 상기 전장용 라디에이터 사이에서 상기 냉각배관 상에 구비되는 리저버 탱크; 및 상기 리저버 탱크와 상기 완속충전장치(On Board Charger) 사이에서 상기 냉각배관 상에 구비되어 냉각수를 순환시키는 전장용 워터펌프를 포함할 수 있다.

상기 밸브는 상기 전장용 라디에이터와 상기 리저버 탱크 사이에서 상기 냉각배관과 상기 배터리 냉각배관을 상호 연결하는 4-Way 밸브로 이루어질 수 있다.

상기 밸브는 상기 배터리의 웜업 또는 냉각 요구 시에 상기 냉각배관과 상기 배터리 냉각배관을 상호 연결하여 상기 배터리 냉각배관으로 냉각수를 순환시킬 수 있다.

상기 에어컨수단은 상기 전장용 라디에이터의 내부에는 상기 수랭식 컨덴서를 내장하고, 전방에는 상기 공랭식 컨덴서를 배치하여 상기 냉매배관을 통해 상기 수랭식 컨덴서와 상기 공랭식 컨덴서를 상호 직렬로 연결하되, 상기 냉매배관을 통해 상기 공랭식 컨덴서와 상호 연결되며, 상기 공랭식 컨덴서에서 배출되는 냉매를 팽창시키는 제1 팽창밸브; 상기 냉매배관을 통하여 상기 제1 팽창밸브와 상호 연결되며, 상기 제1 팽창밸브로부터 팽창된 냉매를 증발시키는 증발기; 및 상기 증발기와 상기 냉매배관을 통해 상호 연결되며, 상기 증발기로부터 배출된 냉매를 압축시켜 상기 수랭식 컨덴서로 공급하는 압축기를 포함할 수 있다.

상기 칠러는 상기 공랭식 컨덴서와 상기 제1 팽창밸브 사이와, 상기 증발기와 상기 압축기 사이에서 상기 냉매배관을 상호 연결하는 서브 냉매배관을 통해 상기 냉매배관과 선택적으로 연결될 수 있다.

상기 서브 냉매배관은 상기 냉매배관과 상기 칠러 사이에 제2 팽창밸브가 구비될 수 있다.

상기 제2 팽창밸브는 상기 배터리의 냉각 시에 개방되어 상기 냉매배관을 통해 상기 공랭식 컨덴서로부터 배출된 냉매를 팽창시켜 상기 칠러로 유입시킬 수 있다.

상기 공랭식 컨덴서는 전방에 액티브 에어 플랩이 구비될 수 있다.

상기 액티브 에어 플랩은 상기 모터모듈 및 상기 배터리의 웜업 시, 폐쇄될 수 있다.

상기 전기식 가열기는 상기 배터리의 웜업 또는 과냉 방지 시에 ON 작동되어 상기 배터리 냉각배관을 통해 순환되는 냉각수를 가열한 상태로, 상기 배터리로 유입시킬 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템에 의하면, 전기자동차 또는 하이브리드 차량에서 에어컨수단과, 전장품을 포함하는 모터모듈에 냉각수를 순환시키는 전장용 냉각수단을 연동시키고, 이 전장용 냉각수단을 순환하는 냉각수를 이용해 차량의 상태에 따라 배터리를 웜업 또는 냉각시킴으로써, 시스템의 단순화가 가능해지는 동시에, 보다 효율적으로 배터리를 웜업 및 냉각시켜 최적 성능 발휘를 통해 차량의 전체적인 주행거리를 증가시키는 효과가 있다.

또한, 수랭식 및 공랭식 컨덴서가 함께 적용된 에어컨수단을 적용하여 에어컨과 전장용 냉각수단의 효율을 향상시킬 수 있고, 쿨링모듈의 패키지화를 통해 크기 및 중량 축소가 가능해 짐에 따라 공간 활용성 향상 및 차량의 전체적인 중량을 줄이는 효과도 있다.

또한, 각 수단과 배터리 냉각 시스템을 연동시키기 위한 밸브의 개수를 최소화하여 비용을 절감하고, 빈번한 밸브 개폐작동으로 인한 소음 및 진동을 줄여 차량의 승차감을 향상시키는 효과도 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템의 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템에서 실내 냉방, 및 모터모듈 냉각 시의 작동 상태도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템에서 실내 냉방, 배터리 냉각, 및 모터모듈 냉각 시의 작동 상태도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템에서 배터리 웜업, 및 모터모듈 웜업 시의 작동 상태도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템에서 배터리 냉각, 및 모터모듈 냉각 시의 작동 상태도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템에서 실내 제습, 배터리 과냉방지 및 모터모듈 냉각 시의 작동 상태도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

이에 앞서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

그리고 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서에 기재된 “...유닛”, “...수단”, “...부”, “...부재” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 하는 포괄적인 구성의 단위를 의미한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템의 블록 구성도이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템(100)은 엔진과 모터를 함께 사용하는 하이브리드 차량이나 전기 자동차에 적용될 수 있다.

이러한 하이브리드 차량 또는 전기자동차에서 차량 실내를 냉방 또는 난방하기 위한 공조장치인 에어컨수단(20)과, 전장품을 포함하는 모터모듈(11)을 냉각하는 전장용 냉각수단(10)이 상호 연동된다.

먼저, 상기 전장용 냉각수단(10)은 전장용 라디에이터(13), 완속충전장치(14 : On Board Charger, 이하 'OBC'라 함), 리저버 탱크(17), 및 전장용 워터펌프(W)를 포함하며, 냉각배관(19)을 통해 각 구성요소들이 상호 연결된다.

상기 전장용 라디에이터(13)는 차량의 전방에 배치되며, 후방에는 쿨링팬(F)이 구비되어 쿨링팬(F)의 작동과 외기와의 열교환을 통해 냉각수를 냉각하게 된다.

여기서, 상기 모터모듈(11)은 전장품 중 하나인 인버터를 포함하여 구성될 수 있으며, 전장용 라디에이터(13)와 냉각배관(19)을 통해 연결된다.

상기 OBC(14)는 전장용 라디에이터(13)와 모터모듈(11)의 사이에서 냉각배관(19) 상에 구비된다.

여기서, OBC(14)는 배터리(B)를 충전하기 위해 차량 내에 설치되는 완속충전장치로서, 이는 널리 알려진 공지기술에 해당하므로, 이하 그 작동 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

상기 리저버 탱크(17)는 OBC(14)와 전장용 라디에이터(11) 사이에서 냉각배관(19) 상에 구비되고, 전장용 워터펌프(W)는 리저버 탱크(17)와 OBC(14) 사이에서 냉각배관(19) 상에 구비되어 냉각수를 순환시키게 된다.

이와 같이 구성되는 전장용 냉각수단(10)은 전장용 워터펌프(W)의 작동을 통해 전장용 라디에이터(13)에서 냉각된 냉각수를 냉각배관(19)을 따라 순환시킴으로써, 모터모듈(11)과 OBC(14)가 과열되지 않도록 냉각시키게 된다.

그리고 상기 에어컨수단(20)은 전장용 냉각수단(10)과 연동되도록 냉각수를 이용해 냉매를 1차로 냉각시키는 수랭식 컨덴서(21)를 전장용 라디에이터(13)에 내장하고, 전장용 라디에이터(13)의 전방에 배치되어 수랭식 컨덴서(21)로부터 공급된 냉매를 외기와의 열교환을 통해 2차로 응축시키는 공랭식 컨덴서(23)를 포함한다.

이러한 에어컨수단(20)은 냉매배관(22)을 통해 공랭식 컨덴서(23)와 상호 연결되며, 공랭식 컨덴서(23)에서 배출되는 냉매를 팽창시키는 제1 팽창밸브(25)와, 냉매배관(22)을 통하여 제1 팽창밸브(25)와 상호 연결되며, 제1 팽창밸브(25)로부터 팽창된 냉매를 증발시키는 증발기(27)와, 증발기(27)와 냉매배관(22)을 통해 상호 연결되며, 증발기(27)로부터 배출된 냉매를 압축시켜 수랭식 컨덴서(21)로 공급하는 압축기(29)를 더 포함한다.

이와 같이 구성되는 에어컨수단(20)은 에어컨의 작동 시, 냉매의 순환을 통해 차량 실내를 냉방하게 된다.

한편, 본 실시예에서, 공랭식 컨덴서(23)는 전방에 액티브 에어 플랩(30)이 구비될 수 있다.

상기 액티브 에어 플랩(30)은 모터모듈(11) 및 배터리(B)의 웜업 시, 폐쇄될 수 있다.

여기서, 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템(100)은 상기와 같이 구성되는 전장용 냉각수단(10)과 에어컨수단(20)을 연동시키고, 이 전장용 냉각수단(10)을 순환하는 냉각수를 이용해 차량의 상태에 따라 배터리(B)를 웜업 또는 냉각시킴으로써, 시스템의 단순화가 가능해지는 동시에, 보다 효율적으로 배터리(B)를 웜업 및 냉각시켜 최적 성능 발휘를 통해 차량의 전체적인 주행거리를 증가시키도록 한다.

이를 위해, 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템(100)은, 도 1에서 도시한 바와 같이, 기본적으로 수랭식 컨덴서(21)와 공랭식 컨덴서(23)를 포함하여 구성되는 에어컨수단(20)을 순환하는 냉매와 열교환되는 냉각수를 통해 전장품을 포함하는 모터모듈(11)을 냉각하는 전장용 냉각수단(10)을 배터리 냉각배관(103)을 통해 연결하여 차량에 탑재된 배터리(B)를 차량의 상태에 따라 웜업 또는 냉각시킨다.

이러한 배터리 냉각 시스템은 밸브(110), 워터펌프(120), 칠러(130), 및 전기식 가열기(140)를 포함하여 구성된다.

먼저, 상기 밸브(110)는 전장용 냉각수단(10)의 냉각배관(19)과 배터리 냉각배관(103)을 선택적으로 연결하게 된다.

여기서, 상기 밸브(110)는 전장용 라디에이터(13)와 리저버 탱크(17) 사이에서 상기 냉각배관(19)과 상기 배터리 냉각배관(103)을 상호 연결하는 4-Way 밸브로 이루어 질 수 있다.

이에 따라, 상기 밸브(110)는 배터리(B)의 웜업 또는 냉각 요구 시에 상기 냉각배관(19)과 배터리 냉각배관(103)을 상호 연결하여 배터리 냉각배관(103)으로 냉각배관(19)을 따라 순환하는 냉각수 중 일부를 순환시킬 수 있다.

상기 워터펌프(120)는 상기 밸브(110)와 상기 배터리(B) 사이에서 상기 배터리 냉각배관(103) 상에 구비된다.

본 실시예에서, 상기 칠러(130)는 워터펌프(120)와 배터리(B) 사이에서 배터리 냉각배관(103) 상에 구비되며, 냉매배관(22)과 연결되어 내부로 유입되는 냉각수와 냉매를 선택적으로 열교환 시키게 된다.

이러한 칠러(130)는 공랭식 컨덴서(23)와 제1 팽창밸브(25) 사이와, 증발기(27)와 압축기(29) 사이에서 냉매배관(22)을 상호 연결하는 서브 냉매배관(26)을 통해 냉매배관(22)과 선택적으로 연결될 수 있다.

상기 서브 냉매배관(26)은 냉매배관(22)과 칠러(130) 사이에 제2 팽창밸브(28)가 구비될 수 있다.

여기서, 상기 제2 팽창밸브(28)는 배터리(B)의 냉각 시에 개방되어 냉매배관(22)을 통해 공랭식 컨덴서(23)로부터 배출된 냉매를 팽창시켜 칠러(130)로 유입시킬 수 있다.

즉, 상기 제2 팽창밸브(28)는 공랭식 컨덴서(23)로부터 배출된 응축된 냉매를 팽창시켜 그 온도를 저하시킨 상태로 칠러(130)에 유입시킴으로써, 칠러(130)의 내부를 통과하는 냉각수의 수온을 더욱 저하시킬 수 있다. 이에 따라, 배터리(B)에는 칠러(130)를 통과하면서 수온이 낮아진 냉각수가 유입되어 보다 효율적으로 냉각될 수 있다.

그리고 상기 전기식 가열기(140)는 칠러(130)와 배터리(B) 사이에서 배터리 냉각배관(103)에 구비된다.

여기서, 상기 전기식 가열기(140)는 배터리(B)의 웜업 또는 과냉 방지 시에 ON 작동되어 배터리 냉각배관(103)을 통해 순환되는 냉각수를 가열한 상태로, 배터리(B)로 유입시킬 수 있다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템(100)의 각 모드별 작동 및 작용을 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템에서 실내 냉방, 및 모터모듈 냉각 시의 작동 상태도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템(100)의 실내 냉방, 및 모터모듈(11) 냉각 시에는 상기 에어컨수단(20)이 작동하여 냉매배관(22)을 따라 냉매가 순환하면서 실내를 냉방하게 되고, 모터모듈(11)과 OBC(14)의 냉각을 위해 전장용 워터펌프(W)가 구동되어 냉각수가 순환된다.

이 때, 냉매는 압축기(29)로부터 전장용 라디에이터(13)에 내장된 수랭식 컨덴서(21)를 통과하면서 냉각수와의 열교환을 통해 1차로 응축된 후, 공랭식 컨덴서(23)로 유입되어 외기와의 열교환을 통해 2차로 응축된 상태로 냉매배관(22)을 따라 제1 팽창밸브(25)를 통과하게 된다.

제1 팽창밸브(25)를 통과하면서 팽창된 냉매는 증발기(27)를 통해 증발된 후, 압축기(29)로 공급되어 에어컨수단(20)을 순환하게 된다.

여기서, 상기 액티브 에어 플랩(30)은 공랭식 컨덴서(23)와 전장용 라디에이터(13)에 외기가 원활히 유입되도록 개방된 상태가 된다.

이에 따라, 에어컨수단(20)을 순환하는 냉매는 수랭식 컨덴서(21)와 공랭식 컨덴서(23)를 순차적으로 통과하면서 응축효율이 향상된 상태로, 증발기(27)를 통과하게 됨으로써, 차량 실내의 냉방 효율이 향상될 수 있다.

여기서, 상기 밸브(110)는 배터리 냉각배관(103)이 냉각배관(19)과 연결되지 않도록 배터리 냉각배관(103)을 폐쇄한 상태를 유지하게 되고, 제2 팽창밸브(28)도 폐쇄되어 서브 냉매배관(26)으로 냉매가 유입되는 것을 방지하게 된다.

본 실시예에서, 실내 냉방, 배터리 냉각, 및 모터모듈(11)의 냉각 시, 배터리 냉각 시스템(100)의 작동을 첨부한 도 3을 참조하여 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템에서 실내 냉방, 배터리 냉각, 및 모터모듈 냉각 시의 작동 상태도이다.

도 3을 참조하면, 실내 냉방 및 모터모듈(11)의 냉각을 위해 전장용 냉각수단(10)과 에어컨수단(20)이 작동되는 상태에서, 배터리 냉각 시스템(100)은 상기 밸브(110)가 배터리 냉각배관(103)이 냉각배관(19)과 연결되도록 개방된다.

그러면, 전장용 냉각수단(10)을 순환하는 냉각수 중, 전장용 라디에이터(13)를 통과하여 냉각된 냉각수는 배터리 냉각배관(103)으로 유입되고, 칠러(130)와 전기식 가열기(140)를 통과하여 배터리(B)로 유입됨으로써, 배터리(B)를 냉각하게 된다.

여기서, 상기 제2 팽창밸브(28)는 개방되어 냉매라인(22)을 통해 순환되는 냉매 중 일부를 서브 냉매라인(26)으로 유입시켜 팽창시킨 후, 칠러(130)로 공급하게 되며, 칠러(130)의 내부로 유입된 냉매는 배터리 냉각배관(103)을 통해 유입된 냉각수와 열교환되면서 냉각수를 냉각시키게 된다.

이에 따라, 배터리 냉각배관(103)을 통해 칠러(130)로 유입된 냉각수는 냉매와 열교환되어 더욱 냉각된 상태로 배터리(B)로 유입됨으로써, 배터리(B)를 보다 효율적으로 냉각시키게 된다.

한편, 상기 액티브 에어 플랩(30)은 개방된 상태를 유지하여 외기를 공랭식 컨덴서(23)와 전장용 라디에이터(13)로 원활하게 유입시키게 된다.

본 실시예에서, 배터리 웜업, 및 모터모듈(11)의 웜업 시, 배터리 냉각 시스템(100)의 작동을 첨부한 도 4를 참조하여 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템에서 배터리 웜업, 및 모터모듈 웜업 시의 작동 상태도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템(100)의 배터리 웜업, 및 모터모듈(11)의 웝업 시에는 실내냉방이 작동되지 않음에 따라, 에어컨수단(20)의 작동이 중지되어 냉매가 순환되지 않게 되고, 액티브 에어 플랩(30)은 폐쇄되어 외기를 공랭식 컨덴서(23)와 전장용 라디에이터(13)로 유입시키지 않게 된다.

이러한 상태에서, 냉각수는 전장용 워터펌프(W)의 작동을 통해 냉각배관(19)을 따라 순환되는데, 이 경우, 전장품을 포함한 모터모듈(11)과 OBC(14)로부터 발생된 열에 의해 수온이 상승된 상태로 순환됨으로써, 모터모듈(11)을 신속하게 웜업 시키게 된다.

여기서, 상기 밸브(110)는 배터리 냉각배관(103)이 냉각배관(19)과 연결되도록 개방된 상태가 되고, 전장용 냉각수단(10)을 순환하는 수온이 상승된 냉각수 중 일부를 워터펌프(120)의 작동을 통해 배터리 냉각배관(103)을 따라 순환시켜 배터리(B)를 웜업 시키게 된다.

이 경우, 상기 전기식 가열기(140)는 ON 작동됨으로써, 배터리 냉각배관(103)을 따라 순환하는 냉각수를 가열한 상태로, 배터리(B)로 공급하여 배터리(B)를 신속하게 웜업 시키게 된다.

본 실시예에서, 실내냉방이 작동되지 않은 상태에서 배터리 냉각, 및 모터모듈(11)의 냉각 시, 배터리 냉각 시스템(100)의 작동을 첨부한 도 5를 참조하여 설명한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템에서 배터리 냉각, 및 모터모듈 냉각 시의 작동 상태도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 냉각 시스템(100)은 배터리 냉각 및 모터모듈(11)의 냉각 시, 전장용 냉각수단(10)의 전장용 워터펌프(W)의 작동에 의해 모터모듈(11)과 OBC(14)로 전장용 라디에이터(13)를 통과하면서 냉각된 냉각수를 공급하여 냉각하게 된다.

여기서, 상기 밸브(110)는 냉각배관(19)과 배터리 냉각배관(103)이 연결되도록 개방되어 전장용 냉각수단(10)을 통과하는 냉각수 중 일부를 워터펌프(120)의 작동을 통해 배터리 냉각배관(103)을 따라 순환시키게 된다.

이러한 상태에서, 냉매는 압축기(29)의 작동을 통해 압축된 상태로 냉매라인(22)을 따라 순환되면서 수랭식 컨덴서(21)와 공랭식 컨덴서(23)를 순차적으로 통과하여 응축된 후, 제2 팽창밸브(28)의 개방에 의해 서브 냉매배관(26)으로 유입되어 칠러(130)를 통과하게 된다.

이 때, 상기 제1 팽창밸브(25)는 폐쇄된 상태를 유지하여 증발기(27)로 냉매가 유입되는 것을 방지하게 된다.

여기서, 액티브 에어 플랩(30)은 공랭식 컨덴서(23)와 전장용 라디에이터(13)를 각각 통과하는 냉매와 냉각수가 외기와 열교환 되도록 개방된 상태를 유지하게 된다.

이에 따라, 워터펌프(120)의 작동에 의해 배터리 냉각배관(103)을 따라 순환되는 냉각수는 칠러(130)를 통과하면서 냉매와 열교환되어 냉각된 상태로 배터리(B)로 유입됨으로써, 배터리(B)를 냉각하게 된다.

이 경우, 상기 전기식 가열기(140)는 OFF된 상태를 유지하여 배터리(B)로 유입되는 냉각수가 가열되는 것을 방지하게 된다.

마지막으로 본 실시예에서, 실내 제습, 배터리 과냉방지, 및 모터모듈(11)의 냉각 시, 배터리 냉각 시스템(100)의 작동을 첨부한 도 6을 참조하여 설명한다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템에서 실내 제습, 배터리 과냉방지 및 모터모듈 냉각 시의 작동 상태도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 냉각 시스템(100)은 차량 실내 제습, 배터리 과냉방지 및 모터모듈(11)의 냉각 시, 에어컨수단(20)과 전장용 냉각수단(10)이 모두 작동하여 냉매와 냉각수가 순환되도록 한 상태에서, 밸브(110)의 개방을 통해 전장용 냉각수단(10)을 순환하는 냉각수 중 일부를 배터리 냉각배관(103)으로 유입시키게 된다.

여기서, 상기 제2 팽창밸브(28)는 폐쇄된 상태를 유지하여 냉매배관(22)을 따라 순환하는 냉매가 칠러(130)로 유입되는 것을 방지하게 된다.

이에 따라, 배터리 냉각배관(103)으로 유입된 냉각수는 냉매의 유입이 방지된 칠러(130)를 통과하면서 수온이 더 저하되지 않은 상태로 배터리(B)로 유입됨으로써, 배터리(B)가 과냉되는 것을 방지하게 된다.

즉, 본 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템은 전술한 바와 같이 차량의 각 모드에 따라 전장용 냉각수단(10)을 순환하는 냉각수와 에어컨수단(20)의 냉매를 이용해 배터리(B)를 효율적으로 냉각하거나, 신속하게 웜업 시킬 수 있게 된다.

따라서, 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템(100)을 적용하면, 전기자동차 또는 하이브리드 차량에서 에어컨수단(20)과, 전장품을 포함하는 모터모듈(11)에 냉각수를 순환시키는 전장용 냉각수단(10)을 연동시키고, 이 전장용 냉각수단(10)을 순환하는 냉각수를 이용해 차량의 상태에 따라 배터리(B)를 웜업 또는 냉각시킴으로써, 시스템의 단순화가 가능해지는 동시에, 보다 효율적으로 배터리(B)를 웜업 및 냉각시켜 최적 성능 발휘를 통해 차량의 전체적인 주행거리를 증가시킬 수 있다.

또한, 수랭식 및 공랭식 컨덴서(21, 23)가 함께 적용된 에어컨수단(20)을 적용하여 에어컨과 전장용 냉각수단(10)의 효율을 향상시킬 수 있고, 쿨링모듈의 패키지화를 통해 크기 및 중량 축소가 가능해 짐에 따라 공간 활용성 향상 및 차량의 전체적인 중량을 줄일 수 있다.

또한, 전장용 냉각수단(10), 및 에어컨수단(20)과 배터리 냉각 시스템(100)을 연동시키기 위한 밸브의 개수를 최소화하여 비용을 절감하고, 빈번한 밸브 개폐작동으로 인한 소음 및 진동을 줄여 차량의 승차감을 향상시킬 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

10 : 전장용 냉각수단 11 : 모터모듈
13 : 전장용 라디에이터 14 : OBC
17 : 리저버 탱크 19 : 냉각배관
W : 전장용 워터펌프 20 : 에어컨수단
21 : 수랭식 컨덴서 22 : 냉매배관
23 : 공랭식 컨덴서 25 : 제1 팽창밸브
26 : 서브 냉매라인 27 : 증발기
28 : 제2 팽창밸브 29 : 압축기
30 : 액티브 에어 플랩 100 : 배터리 냉각 시스템
103 : 배터리 냉각배관 110 : 밸브
120 : 워터펌프 130 : 칠러
140 : 전기식 가열기 B : 배터리

Claims (11)

1. 수랭식 컨덴서와 공랭식 컨덴서를 포함하여 구성된 에어컨수단을 순환하는 냉매와 열교환되는 냉각수를 통해 전장품을 포함한 모터모듈을 냉각하는 전장용 냉각수단을 배터리 냉각배관을 통해 연결하여 차량에 탑재된 배터리를 웜업 또는 냉각시키기 위한 것으로,
   상기 전장용 냉각수단의 냉각배관과 상기 배터리 냉각배관을 선택적으로 연결하는 밸브;
   상기 밸브와 상기 배터리 사이에서 상기 배터리 냉각배관 상에 구비되는 워터펌프;
   상기 워터펌프와 상기 배터리 사이에서 상기 배터리 냉각배관 상에 구비되며, 상기 에어컨수단의 냉매배관과 연결되어 내부로 유입되는 냉각수와 냉매를 선택적으로 열교환시키는 칠러; 및
   상기 칠러와 상기 배터리 사이에서 상기 배터리 냉각배관에 구비되는 전기식 가열기;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 전장용 냉각수단은
   차량의 전방에 배치되며, 후방에는 쿨링팬이 구비되는 전장용 라디에이터;
   상기 전장용 라디에이터와 상기 모터모듈의 사이에서 상기 냉각배관 상에 구비되는 완속충전장치(On Board Charger);
   상기 완속충전장치(On Board Charger)와 상기 전장용 라디에이터 사이에서 상기 냉각배관 상에 구비되는 리저버 탱크; 및
   상기 리저버 탱크와 상기 완속충전장치(On Board Charger) 사이에서 상기 냉각배관 상에 구비되어 냉각수를 순환시키는 전장용 워터펌프;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 시스템.
3. 제2항에 있어서,
   상기 밸브는
   상기 전장용 라디에이터와 상기 리저버 탱크 사이에서 상기 냉각배관과 상기 배터리 냉각배관을 상호 연결하는 4-Way 밸브로 이루어지는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 시스템.
4. 제3항에 있어서,
   상기 밸브는
   상기 배터리의 웜업 또는 냉각 요구 시에 상기 냉각배관과 상기 배터리 냉각배관을 상호 연결하여 상기 배터리 냉각배관으로 냉각수를 순환시키는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 시스템.
5. 제2항에 있어서,
   상기 에어컨수단은
   상기 전장용 라디에이터의 내부에는 상기 수랭식 컨덴서를 내장하고, 전방에는 상기 공랭식 컨덴서를 배치하여 상기 냉매배관을 통해 상기 수랭식 컨덴서와 상기 공랭식 컨덴서를 상호 직렬로 연결하되,
   상기 냉매배관을 통해 상기 공랭식 컨덴서와 상호 연결되며, 상기 공랭식 컨덴서에서 배출되는 냉매를 팽창시키는 제1 팽창밸브;
   상기 냉매배관을 통하여 상기 제1 팽창밸브와 상호 연결되며, 상기 제1 팽창밸브로부터 팽창된 냉매를 증발시키는 증발기; 및
   상기 증발기와 상기 냉매배관을 통해 상호 연결되며, 상기 증발기로부터 배출된 냉매를 압축시켜 상기 수랭식 컨덴서로 공급하는 압축기;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 시스템.
6. 제5항에 있어서,
   상기 칠러는
   상기 공랭식 컨덴서와 상기 제1 팽창밸브 사이와, 상기 증발기와 상기 압축기 사이에서 상기 냉매배관을 상호 연결하는 서브 냉매배관을 통해 상기 냉매배관과 선택적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 시스템.
7. 제6항에 있어서,
   상기 서브 냉매배관은
   상기 냉매배관과 상기 칠러 사이에 제2 팽창밸브가 구비되는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 시스템.
8. 제7항에 있어서,
   상기 제2 팽창밸브는
   상기 배터리의 냉각 시에 개방되어 상기 냉매배관을 통해 상기 공랭식 컨덴서로부터 배출된 냉매를 팽창시켜 상기 칠러로 유입시키는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 시스템.
9. 제1항에 있어서,
   상기 공랭식 컨덴서는
   전방에 액티브 에어 플랩이 구비되는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 시스템.
10. 제9항에 있어서,
    상기 액티브 에어 플랩은
    상기 모터모듈 및 상기 배터리의 웜업 시, 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 시스템.
11. 제1항에 있어서,
    상기 전기식 가열기는
    상기 배터리의 웜업 또는 과냉 방지 시에 ON 작동되어 상기 배터리 냉각배관을 통해 순환되는 냉각수를 가열한 상태로, 상기 배터리로 유입시키는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 시스템.

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