KR101875649B1

KR101875649B1 - 차량용 배터리 냉각 시스템

Info

Publication number: KR101875649B1
Application number: KR1020160140184A
Authority: KR
Inventors: 김재연; 안재영; 조완제; 김명환; 김민욱; 우정엽; 김연호; 최용현; 이건구
Original assignee: 현대자동차 주식회사
Priority date: 2016-10-26
Filing date: 2016-10-26
Publication date: 2018-07-06
Also published as: KR20180045621A; DE102017106609A1; US10166835B2; US20180111443A1

Abstract

차량용 배터리 냉각 시스템이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템은 냉매라인으로 연결되는 압축기, 응축기, 증발기, 및 제1 팽창밸브를 포함하며 차량 실내를 냉방하도록 냉매를 순환시키는 에어컨수단; 냉각라인으로 연결되는 라디에이터와 제1 워터펌프를 포함하며, 모터와 전장품을 냉각하도록 냉각수를 순환시키는 냉각수단; 상기 냉각라인과 배터리 냉각라인을 통해 연결되며, 상기 배터리 냉각라인에 구비되는 제2 워터펌프의 작동을 통해 내부에 냉각수가 순환되는 배터리 모듈; 및 상기 냉매라인과 연결라인을 통해 연결되고, 상기 배터리 냉각라인에 구비되며, 내부에 선택적으로 유입되는 냉각수와 냉매를 열교환시켜 냉각수의 온도를 조절하는 칠러를 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 냉각수단을 연동시키고, 이 냉각수단을 순환하는 냉각수를 이용해 차량의 상태에 따라 배터리 모듈을 승온 또는 냉각시키도록 하는 차량용 배터리 냉각 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 자동차용 공기조화장치는 자동차의 실내를 난방하거나 냉방하기 위하여 냉매를 순환시키는 에어컨 시스템을 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.

이러한 친환경 차량 중, 전기자동차 또는 하이브리드 차량에는 일반 차량의 공기조화장치와는 달리 별도의 히터가 사용되지 않으며, 친환경 차량에 적용되는 공기조화장치를 통상적으로 히트 펌프 시스템이라 한다.

한편, 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, 종래 기술에 따른 하이브리드 차량이나 전기 자동차에서는 모터와 전장품, 및 연료전지를 포함하는 배터리의 발열을 방지하도록 냉각수단, 및 히트 펌프 시스템과 함께, 배터리 냉각 시스템이 각각 별도의 밀폐회로로 구성해야만 한다.

따라서, 차량의 전방에 배치되는 쿨링모듈의 크기 및 중량이 증가되고, 엔진룸 내부에서 각각의 히트 펌프 시스템과 냉각수단 및 배터리 냉각 시스템으로 냉매 또는 냉각수를 공급하는 연결배관들의 레이아웃이 복잡해지는 단점이 있다.

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 단점도 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 냉각수단을 순환하는 냉매와 냉각수를 선택적으로 사용하여 수랭식으로 배터리 모듈을 승온 또는 냉각시킴으로써, 효율적인 배터리 관리를 통해 차량의 전체적인 주행거리를 증가시키도록 하는 차량용 배터리 냉각 시스템을 제공하고자 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템은 냉매라인으로 연결되는 압축기, 응축기, 증발기, 및 제1 팽창밸브를 포함하며 차량 실내를 냉방하도록 냉매를 순환시키는 에어컨수단; 냉각라인으로 연결되는 라디에이터와 제1 워터펌프를 포함하며, 모터와 전장품을 냉각하도록 냉각수를 순환시키는 냉각수단; 상기 냉각라인과 배터리 냉각라인을 통해 연결되며, 상기 배터리 냉각라인에 구비되는 제2 워터펌프의 작동을 통해 내부에 냉각수가 순환되는 배터리 모듈; 및 상기 냉매라인과 연결라인을 통해 연결되고, 상기 배터리 냉각라인에 구비되며, 내부에 선택적으로 유입되는 냉각수와 냉매를 열교환시켜 냉각수의 온도를 조절하는 칠러를 포함하되, 상기 배터리 냉각라인에는 상기 라디에이터와 상기 칠러의 사이에서 상기 냉각라인과 상기 배터리 냉각라인을 선택적으로 연결하는 제1 밸브가 구비되고, 상기 냉각라인에는 상기 라디에이터와 상기 배터리 모듈 사이에서 상기 냉각라인과 상기 배터리 냉각라인을 선택적으로 연결하는 제2 밸브가 구비되며, 상기 배터리 냉각라인에는 상기 제1 밸브를 통해 상기 칠러와 상기 배터리 모듈을 연결하는 제1 분기라인이 구비되고, 상기 라디에이터와 상기 제2 밸브 사이에서 상기 냉각라인에는 리저버 탱크가 구비되며, 상기 리저버 탱크는 상기 제1 분기라인과 디가싱(degassing) 라인을 통해 연결되고, 상기 디가싱 라인은 상기 배터리 모듈을 승온할 경우에 상기 냉각라인과 상기 배터리 냉각라인의 압력균형이 유지되도록 상기 제1 분기라인을 통과하는 냉각수에서 발생된 기포를 상기 리저버 탱크로 배출, 또는 상기 냉각라인을 순환하는 냉각수로부터 발생되어 포집된 기포를 상기 제1 분기라인으로 유입시키며, 상기 디가싱 라인은 상기 냉각라인으로 냉각수가 순환되지 않은 상태에서, 냉매와 열교환된 냉각수를 이용하여 상기 배터리 모듈을 냉각할 경우에 상기 제1 분기라인을 통과하는 냉각수에 포함된 기포 중, 일부를 상기 리저버 탱크로 유입시켜 상기 냉각라인과 상기 제1 분기라인의 압력 차이 발생을 방지할 수 있다.

상기 연결라인에는 상기 응축기와 상기 칠러 사이에 제2 팽창밸브가 구비될 수 있다.

상기 제2 팽창밸브는 냉매로 상기 배터리 모듈을 냉각할 경우에 작동되며, 상기 연결라인을 통해 유입되는 냉매를 팽창시켜 상기 칠러로 유입시킬 수 있다.

삭제

상기 제1 밸브는 상기 라디에이터에서 냉각된 냉각수를 이용한 상기 배터리 모듈의 냉각 시에, 상기 라디에이터와 연결되는 상기 냉각라인과 상기 배터리 냉각라인을 연결하고, 상기 제1 분기라인은 폐쇄할 수 있다.

상기 제1 밸브는 상기 배터리 모듈을 승온 시킬 경우, 또는 냉매와 열교환된 냉각수를 이용하여 상기 배터리 모듈을 냉각할 경우에 상기 제1 분기라인을 개방하고, 상기 냉각라인과 상기 배터리 냉각라인의 연결을 폐쇄할 수 있다.

상기 냉각라인에는 상기 전장품과 상기 칠러의 사이에서 상기 제2 밸브의 작동을 통해 상기 라디에이터와 상기 모터, 및 상기 전장품 사이를 연결하는 제2 분기라인이 구비될 수 있다.

상기 제2 밸브는 상기 라디에이터에서 냉각된 냉각수를 이용해 상기 배터리 모듈을 냉각할 경우에 상기 제2 분기라인을 폐쇄할 수 있다.

상기 제2 밸브는 냉각수를 이용해 상기 모터 및 상기 전장품만을 냉각할 경우에 상기 냉각라인과 상기 배터리 냉각라인의 연결을 폐쇄하며, 상기 제2 분기라인을 개방할 수 있다.

상기 제2 밸브는 냉매와 열교환된 냉각수를 이용하여 상기 배터리 모듈을 냉각할 경우, 또는 상기 배터리 모듈의 웜업 및 승온할 경우에 상기 제2 분기라인을 개방하고, 상기 냉각라인과 상기 배터리 냉각라인의 연결을 폐쇄할 수 있다.

상기 제1 밸브와 상기 제2 밸브는 3-Way 밸브일 수 있다.

삭제

상기 모터와 상기 전장품은 상기 라디에이터와 상기 제1 워터펌프의 사이에서 상기 냉각라인 상에 직렬로 배치될 수 있다.

상기 전장품은 상기 모터와 상기 제1 워터펌프 사이에서 상기 냉각라인 상에 구비되는 전력제어장치(EPCU :Electric Power Control Unit); 및 상기 모터와 상기 라디에이터 사이에서 상기 냉각라인 상에 구비되는 충전기(OBC : On Board Charger)를 포함할 수 있다.

상기 배터리 모듈과 상기 칠러 사이에서 상기 배터리 냉각라인에는 가열기가 구비되고, 상기 가열기는 상기 배터리 모듈의 승온 시에 ON 작동되어 상기 배터리 냉각라인에서 순환되는 냉각수를 가열하여 상기 배터리 모듈로 유입시킬 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템에 의하면, 전기자동차 또는 하이브리드 차량에서 에어컨수단과 냉각수단을 순환하는 냉매와 냉각수를 선택적으로 사용하여 수랭식으로 배터리 모듈을 승온 또는 냉각시킴으로써, 시스템의 단순화가 가능하고, 효율적인 배터리 관리를 통해 차량의 전체적인 주행거리를 증가시키는 효과가 있다.

나아가, 전체 시스템의 간소화를 통해 제작원가 절감 및 중량 축소가 가능하고, 공간 활용성을 향상시킬 수 있다.

또한, 에어컨수단과 냉각수단을 연동시키기 위한 밸브의 개수를 최소화하여 비용을 절감하고, 빈번한 밸브 개폐작동으로 인한 소음 및 진동을 줄여 차량의 승차감을 향상시킬 수 있다.

아울러, 배터리 모듈과 모터 및 전장품을 직렬로 연결하고, 두 개의 워터펌프를 통해 냉각라인 및 배터리 냉각라인으로 유동되는 냉각수의 유량을 증대시킴으로써, 전체적인 냉각성능을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템의 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템에서 냉각수를 이용한 배터리 모듈 냉각시의 작동 상태도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템에서 차량 냉방모드 작동 중, 배터리 모듈 냉각 시의 작동 상태도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템에서 냉매를 이용한 배터리 모듈 냉각 시의 작동 상태도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템에서 모터와 전장품 냉각 중, 배터리 모듈 승온 시의 작동 상태도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템에서 모터와 전장품 냉각이 중단된 상태에서, 배터리 모듈 승온 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 배터리 냉각 시스템(100)은 하이브리드 차량 또는 전기자동차에서 차량 실내를 냉방 또는 난방하기 위한 공조장치인 에어컨수단(110)과, 모터(125)와 전장품(126)을 냉각하기 위한 냉각수단(120)에 상호 연동된다.

본 실시예에서, 상기 에어컨수단(110)은 냉매라인(111)을 통해 상호 연결되는 압축기(112), 응축기(113), 증발기(114), 및 제1 팽창밸브(115)를 포함한다.

이러한 에어컨수단(110)은 차량의 냉방모드 작동 시, 냉매의 순환을 통해 차량 실내를 냉방하게 된다.

상기 냉각수단(120)은 냉각라인(121)으로 연결되는 라디에이터(122)와 제1 워터펌프(124)를 포함하며, 상기 모터(125)와 상기 전장품(126)을 냉각하도록 냉각수를 순환시키게 된다.

여기서, 상기 전장품(126)은 상기 모터(125)와 상기 제1 워터펌프(124) 사이에서 상기 냉각라인(121) 상에 구비되는 전력제어장치(127 :Electric Power Control Unit, EPCU)와 상기 모터(125)와 상기 라디에이터(122) 사이에서 상기 냉각라인(121) 상에 구비되는 충전기(128 : On Board Charger, OBC)를 포함할 수 있다.

상기 라디에이터(122)는 차량의 전방에 배치되며, 후방에는 쿨링팬(123)이 구비되어 쿨링팬(123)의 작동과 외기와의 열교환을 통해 냉각수를 냉각하게 된다.

여기서, 상기 모터(125)와 상기 전장품(126)은 상기 라디에이터(122)와 상기 제1 워터펌프(124)의 사이에서 상기 냉각라인(121) 상에 직렬로 배치될 수 있다.

이와 같이 구성되는 상기 냉각수단(120)은 제1 워터펌프(124)의 작동을 통해 상기 라디에이터(122)에서 냉각된 냉각수를 냉각라인(121)을 따라 순환시킴으로써, 모터(125)와 전장품(126)이 과열되지 않도록 냉각시키게 된다.

여기서, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 냉각 시스템(100)은 배터리 모듈(130), 및 칠러(135)를 포함할 수 있다.

상기 배터리 모듈(130)은 상기 모터(125)와 상기 전장품(126)에 전원을 공급하는 것으로, 상기 냉각수단(120)과 배터리 냉각라인(131)을 통해 연결되며, 상기 배터리 냉각라인(131)에 구비되는 제2 워터펌프(133)의 작동을 통해 내부에 냉각수가 순환될 수 있다.

여기서, 상기 제1 워터펌프(124)와 상기 제2 워터펌프(133)는 전동식 워터펌프 일 수 있다.

즉, 상기 배터리 모듈(130)은 냉각수를 통해 냉각되는 수랭식으로 형성될 수 있다.

상기 칠러(135)는 상기 에어컨수단(110)의 냉매라인(111)과 연결라인(117)을 통해 연결되고, 상기 배터리 냉각라인(131)에 구비되며, 내부에 유입되는 냉각수와 냉매를 선택적으로 열교환시켜 냉각수의 온도를 조절한다.

여기서, 상기 연결라인(117)에는 상기 응축기(113)와 상기 칠러(135) 사이에 제2 팽창밸브(116)가 구비될 수 있다.

상기 제2 팽창밸브(116)는 냉매로 상기 배터리 모듈(130)을 냉각할 경우에 작동된다. 이러한 제2 팽창밸브(116)는 상기 연결라인(117)을 통해 유입되는 냉매를 팽창시켜 저온 상태로 상기 칠러(135)에 유입시킬 수 있다.

즉, 상기 제2 팽창밸브(116)는 상기 응축기(113)로부터 배출된 응축된 냉매를 팽창시켜 그 온도를 저하시킨 상태로 상기 칠러(135)에 유입시킴으로써, 상기 칠러(130)의 내부를 통과하는 냉각수의 수온을 더욱 저하시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 배터리 모듈(130)에는 상기 칠러(135)를 통과하면서 수온이 낮아진 냉각수가 유입되어 보다 효율적으로 냉각될 수 있다.

한편, 본 실시예에서, 상기 배터리 모듈(130)과 상기 칠러(135) 사이에서 상기 배터리 냉각라인(131)에는 가열기(139)가 구비될 수 있다.

여기서, 상기 가열기(139)는 상기 배터리 모듈(130)의 승온이 요구될 경우에 ON 작동되어 상기 배터리 냉각라인(131)에서 순환되는 냉각수를 가열함으로써, 온도가 상승된 냉각수를 상기 배터리 모듈(130)로 유입시킬 수 있다.

본 실시예에서, 상기 배터리 냉각라인(131)에는 상기 라디에이터(122)와 상기 칠러(135)의 사이에서 상기 냉각라인(121)과 상기 배터리 냉각라인(131)을 선택적으로 연결하는 제1 밸브(140)가 구비된다.

이러한 배터리 냉각라인(131)에는 상기 제1 밸브(140)를 통해 상기 칠러(135)와 상기 배터리 모듈(130)의 사이에서 각 배터리 냉각라인(131)을 연결하는 제1 분기라인(143)이 구비될 수 있다.

여기서, 상기 제1 밸브(140)는 상기 라디에이터(122)에서 냉각된 냉각수를 이용한 상기 배터리 모듈(130)의 냉각 시에, 상기 라디에이터(122)와 연결되는 상기 냉각라인(121)과 상기 배터리 냉각라인(131)을 연결하고, 상기 제1 분기라인(143)은 폐쇄할 수 있다.

또한, 상기 제1 밸브(140)는 상기 배터리 모듈(130)을 승온 시킬 경우, 또는 냉매와 열교환된 냉각수를 이용하여 상기 배터리 모듈(130)을 냉각할 경우에 상기 제1 분기라인(143)을 개방하고, 상기 냉각라인(121)과 상기 배터리 냉각라인(131)의 연결을 폐쇄할 수 있다.

즉, 칠러(135)에서 냉매와 열교환이 완료된 저온의 냉각수는 제1 밸브(140)에 의해 개방된 상기 제1 분기라인(143)을 통해 상기 배터리 모듈(130)로 유입됨으로써, 효율적으로 상기 배터리 모듈(130)을 냉각시킬 수 있다.

반면, 상기 배터리 모듈(130)을 승온할 경우에는 제1 밸브(140)의 작동을 통해 상기 배터리 냉각라인(131)을 따라 순환하는 냉각수가 상기 라디에이터(122)로 유입되는 것을 방지함으로써, 상기 가열기(137)의 작동을 통해 가열된 냉각수를 상기 배터리 모듈(130)로 유입시켜 신속하게 배터리 모듈(130)을 승온 시킬 수 있다.

한편, 본 실시예에서, 상기 냉각라인(121)에는 상기 라디에이터(122)와 상기 배터리 모듈(130) 사이에서 상기 냉각라인(121)과 상기 배터리 냉각라인(131)을 선택적으로 연결하는 제2 밸브(150)가 구비된다.

또한, 상기 냉각라인(121)에는 상기 전장품(126)과 상기 칠러(135)의 사이에서 상기 제2 밸브(150)의 작동을 통해 상기 라디에이터와 상기 모터(125), 및 상기 전장품(126) 사이를 연결하는 제2 분기라인(153)이 구비될 수 있다.

여기서, 상기 제2 밸브(150)는 상기 라디에이터(122)에서 냉각된 냉각수를 이용해 상기 배터리 모듈(130)을 냉각할 경우에 상기 제2 분기라인(153)을 폐쇄할 수 있다.

이에 따라, 상기 라디에이터(122)에서 냉각된 냉각수는 상기 제2 밸브(150)의 작동을 통해 상기 냉각라인(121)과 연결된 상기 배터리 냉각라인(131)을 따라 유동되면서, 상기 배터리 모듈(130)을 냉각하게 된다.

한편, 상기 제2 밸브(150)는 냉각수를 이용해 상기 모터(125) 및 상기 전장품(126) 만을 냉각할 경우에 상기 냉각라인(121)과 상기 배터리 냉각라인(131)의 연결을 폐쇄하며, 상기 제2 분기라인(153)을 개방할 수 있다.

즉, 상기 라디에이터(122)에서 냉각된 냉각수는 상기 제2 분기라인(153)을 통해 상기 모터(125) 및 상기 전장품(126)으로 유입됨으로써, 상기 모터(125) 및 상기 전장품(126)을 신속하게 냉각할 수 있다.

또한, 상기 제2 밸브(150)는 냉매와 열교환된 냉각수를 이용하여 상기 배터리 모듈(130)을 냉각할 경우, 또는 상기 배터리 모듈(130)의 웜업 및 승온할 경우에 상기 제2 분기라인(153)을 개방하고, 상기 냉각라인(121)과 상기 배터리 냉각라인(131)의 연결을 폐쇄할 수 있다.

이와 같이 기능하는 상기 제1 밸브(140)와 상기 제2 밸브(150)는 3-Way 밸브일 수 있다.

한편, 상기 라디에이터(122)와 상기 제2 밸브(150) 사이에서 상기 냉각라인(121)에는 리저버 탱크(129)가 구비될 수 있다.

상기 리저버 탱크(129)는 상기 라디에이터(122)로부터 유입되는 냉각이 완료된 냉각수가 저장될 수 있다.

이러한 리저버 탱크(129)는 상기 제1 분기라인(143)과 디가싱(degassing) 라인(160)을 통해 연결될 수 있다.

상기 디가싱 라인(160)은 상기 배터리 모듈(130)을 승온할 경우에 상기 냉각라인(121)과 상기 배터리 냉각라인(131)의 압력균형이 유지되도록 상기 제1 분기라인(143)을 통과하는 냉각수에서 발생된 기포를 상기 리저버 탱크(129)로 배출, 또는 상기 냉각라인(121)을 순환하는 냉각수로부터 발생되어 포집된 기포를 상기 제1 분기라인(143)으로 유입시킬 수 있다.

또한, 상기 디가싱 라인(160)은 상기 냉각라인(121)으로 냉각수가 순환되지 않은 상태에서, 냉매와 열교환된 냉각수를 이용하여 상기 배터리 모듈(130)을 냉각할 경우에 상기 제1 분기라인(143)을 통과하는 냉각수에서 내부에 포집된 기포 중, 일부를 상기 리저버 탱크(129)로 유입시켜 압력 차이 발생을 방지할 수 있다.

한편, 본 실시예에서는 상기 리저버 탱크(129)가 상기 라디에이터(122)와 상기 배터리 모듈(130)의 사이에서 상기 냉각라인(121)에 구비되고, 상기 디가싱 라인(160)이 상기 제1 분기라인(143)에 연결되는 것을 일 실시예로 하여 설명하고 있으나, 이에 한정된 것은 아니며, 상기 리저버 탱크(129)가 상기 라디에이터(122)와 상기 배터리 모듈(130)의 사이에서 상기 배터리 냉각라인(131)에 구비될 수 있으며, 이 경우 상기 디가싱 라인(160)은 상기 제2 분기라인(153)에 연결될 수 있다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템(100)에서 배터리 모듈(130)의 냉각 및 승온 시, 작동 및 작용을 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템에서 냉각수를 이용한 배터리 모듈 냉각시의 작동 상태도이다.

도 2를 참조하면, 상기 냉각수단(120)은 상기 모터(125)와 상기 전장품(126)의 냉각을 위하여 작동된다.

이 때, 상기 제1 밸브(140)는 상기 라디에이터(122)와 연결되는 상기 냉각라인(121)과 상기 배터리 냉각라인(131)을 연결하고, 상기 제1 분기라인(143)은 폐쇄한다.

상기 제2 밸브(150)는 상기 냉각라인(121)과 상기 배터리 냉각라인(131)을 연결한 상태에서, 상기 제2 분기라인(153)을 폐쇄한다.

이에 따라, 상기 배터리 모듈(130)은 상기 제1, 및 제2 밸브(140, 150)의 작동을 통해 상기 배터리 냉각라인(131)이 상기 냉각수단(120)의 냉각라인(121)과 연결됨으로써, 냉각수가 순환하는 하나의 폐쇄된 회로를 형성할 수 있다.

그러면, 상기 라디에이터(113)에서 냉각된 냉각수는 상기 제1, 제2 워터펌프(124, 133)의 작동을 통해 상기 배터리 모듈(130)과 상기 모터(125)와 전장품(126)을 순차적으로 냉각시키도록 상기 냉각라인(121)과 상기 배터리 냉각라인(131)을 순환한다.

이에 따라, 상기 라디에이터(122)를 통과하여 냉각된 냉각수는 배터리 냉각라인(131)으로 유입되고, 배터리 모듈(130)을 통과한 후, 작동이 OFF 된 가열기(139)를 통과하여 상기 냉각라인(121)을 통해 상기 모터(125)와 전장품(126)으로 유입된다.

즉, 라디에이터(122)에서 냉각된 저온의 냉각수는 상기 배터리 모듈(130)을 먼저 냉각시키므로 배터리 모듈(130)의 냉각효율이 향상될 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템에서 차량 냉방모드 작동 중, 배터리 모듈 냉각 시의 작동 상태도이다.

도 3을 참조하면, 차량의 냉방모드 작동 중, 배터리 모듈(130)을 냉각하는 경우, 상기 에어컨수단(110)이 작동하여 냉매라인(111)을 따라 냉매가 순환하면서 실내를 냉방하게 된다.

이 때, 냉매는 압축기(112)로부터 상기 응축기(113)로 유입되어 외기와의 열교환을 통해 응축된 상태로 냉매라인(121)을 따라 상기 제1 팽창밸브(114)를 통과하게 된다.

상기 제1 팽창밸브(114)를 통과하면서 팽창된 냉매는 상기 증발기(115)를 통해 증발된 후, 다시 상기 압축기(112)로 공급되어 상기 에어컨수단(110)을 순환하게 된다.

여기서, 상기 제2 팽창밸브(116)는 개방되며, 상기 응축기(113)로부터 배출된 냉매 중 일부를 팽창시켜 상기 칠러(135)로 공급한다.

또한, 상기 제1 밸브(140)는 상기 제1 분기라인(143)을 개방하고, 상기 냉각라인(121)과 상기 배터리 냉각라인(131)의 연결을 폐쇄할 수 있다.

그리고 상기 제2 밸브(150)는 상기 제2 분기라인(153)을 폐쇄하고, 상기 냉각라인(121)과 상기 배터리 냉각라인(131)의 연결을 폐쇄할 수 있다.

여기서, 상기 디가싱 라인(160)은 상기 냉각라인(121)으로 냉각수가 순환되지 않은 상태에서, 냉매와 열교환된 냉각수를 이용하여 상기 배터리 모듈(130)을 냉각함에 따라, 상기 제1 분기라인(143)을 통과하는 냉각수에서 내부에 포집된 기포 중, 일부를 상기 리저버 탱크(129)로 유입시켜 상기 냉각라인(121)과 상기 제1 분기라인(143)의 압력 차이 발생을 방지하게 된다.

이에 따라, 상기 배터리 모듈(130)에는 상기 칠러(135)에서 냉매와의 열교환을 통해 냉각된 냉각수가 제2 워터펌프(137)의 작동을 통해 유입된다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템에서 냉매를 이용한 배터리 모듈 냉각 시의 작동 상태도이다.

도 4를 참조하면, 냉매를 이용해 배터리 모듈(130)을 냉각하는 경우, 상기 에어컨수단(110)의 제1 팽창 밸브(114)의 작동이 중지되어 상기 증발기(115)로 냉매의 유입이 방지된다.

이러한 상태에서, 냉매는 압축기(112)로부터 상기 응축기(113)로 유입되어 외기와의 열교환을 통해 응축된다. 그런 후, 냉매는 상기 응축기(113)로부터 배출되어 상기 냉매라인(121)을 따라 상기 제2 팽창밸브(116)를 통과하면서 팽창되고, 상기 칠러(135)를 통과한 후, 다시 상기 압축기(112)로 공급된다.

여기서, 상기 제1 밸브(140)는 상기 제1 분기라인(143)을 개방하고, 상기 냉각라인(121)과 상기 배터리 냉각라인(131)의 연결을 폐쇄할 수 있다.

한편, 상기 디가싱 라인(160)은 상기 냉각라인(121)으로 냉각수가 순환되지 않은 상태에서, 냉매와 열교환된 냉각수를 이용하여 상기 배터리 모듈(130)을 냉각함에 따라, 상기 제1 분기라인(143)을 통과하는 냉각수에서 내부에 포집된 기포 중, 일부를 상기 리저버 탱크(129)로 유입시켜 상기 냉각라인(121)과의 압력 차이 발생을 방지하게 된다.

한편, 도 3과 도 4에서는 상기 냉각수단(120)이 작동하지 않는 것을 일 실시예로 하여 설명하고 있으나, 이에 한정된 것은 아니며, 상기 모터(125)와 상기 전장품(126)의 냉각 요구 시에는 상기 냉각라인(121)으로 냉각수를 순환시킬 수 있다.

즉, 상기 냉각라인(121)과 상기 배터리 냉각라인(131)이 각각 독립적인 회로를 형성할 경우에 상기 디가싱 라인(160)은 상기 냉각라인(121)과 상기 배터리 냉각라인(131)의 압력균형이 유지되도록 상기 제1 분기라인(143)을 통과하는 냉각수에서 발생된 기포를 상기 리저버 탱크(129)로 배출, 또는 상기 냉각라인(121)을 순환하는 냉각수로부터 발생되어 포집된 기포를 상기 제1 분기라인(143)으로 유입시킬 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템에서 모터와 전장품 냉각 중, 배터리 모듈 승온 시의 작동 상태도이다.

도 5를 참조하면, 상기 모터(125)와 상기 전장품(126)의 냉각을 위하여 냉각수단(120)이 작동된다.

이 때, 상기 제1 밸브(140)는 상기 제1 분기라인(143)을 개방하고, 상기 냉각라인(121)과 상기 배터리 냉각라인(131)의 연결을 폐쇄한다.

그리고 상기 제2 밸브(150)는 상기 냉각라인(121)과 상기 배터리 냉각라인(131)의 연결을 폐쇄하며, 상기 제2 분기라인(153)을 개방한다.

이에 따라, 상기 냉각수단(120)의 냉각라인(121)과 상기 배터리 냉각라인(131)은 상기 제1, 및 제2 분기라인(143, 153)을 통하여 각각 독립적으로 냉각수가 순환되는 폐쇄된 회로를 형성할 수 있다.

즉, 상기 라디에이터(113)에서 냉각된 냉각수는 상기 제1 워터펌프(124)의 작동을 통해 상기 모터(125)와 전장품(126)을 냉각시키도록 상기 냉각라인(121)을 독립적으로 순환한다.

그리고 상기 배터리 냉각라인(131)의 냉각수는 상기 제2 워터펌프(133)의 작동을 통해 상기 배터리 냉각라인(131)을 순환한다.

여기서, 상기 디가싱 라인(160)은 상기 냉각라인(121)과 상기 배터리 냉각라인(131)의 압력균형이 유지되도록 상기 제1 분기라인(143)을 통과하는 냉각수에서 발생된 기포를 상기 리저버 탱크(129)로 배출하거나 상기 냉각라인(121)을 순환하는 냉각수로부터 발생되어 포집된 기포를 상기 제1 분기라인(143)으로 유입시킬 수 있다.

한편, 상기 가열기(137)는 ON 작동되어 상기 배터리 냉각라인(131)에서 순환되는 냉각수를 가열함으로써, 온도가 상승된 냉각수를 상기 배터리 모듈(130)로 유입시킬 수 있다.

따라서, 제1 밸브(140)의 작동을 통해 상기 배터리 냉각라인(131)을 따라 순환하는 냉각수는 상기 라디에이터(122)로 유입되는 것이 방지되고, 폐쇄된 회로를 독립적으로 순환한다.

이와 동시에, 배터리 냉각라인(131)을 순환하는 냉각수는 상기 가열기(137)의 작동을 통해 가열된 상태로, 상기 배터리 모듈(130)로 유입됨으로써, 보다 신속하게 배터리 모듈(130)을 승온 시킬 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템에서 모터와 전장품 냉각이 중단된 상태에서, 배터리 모듈 승온 시의 작동 상태도이다.

도 6을 참조하면, 상기 모터(125)와 상기 전장품(126)이 냉각이 요구되지 않을 경우, 상기 제1 밸브(140)는 상기 제1 분기라인(143)을 개방하고, 상기 냉각라인(121)과 상기 배터리 냉각라인(131)의 연결을 폐쇄할 수 있다.

이에 따라, 상기 배터리 냉각라인(131)은 상기 제1 분기라인(143)을 통하여 독립적으로 냉각수가 순환되는 폐쇄된 회로를 형성할 수 있다.

따라서, 상기 배터리 냉각라인(131)의 냉각수는 상기 제2 워터펌프(133)의 작동을 통해 상기 제1 분기라인(143)을 통해 연결된 배터리 냉각라인(131)을 독립적으로 반복해서 순환한다.

여기서, 상기 디가싱 라인(160)은 상기 냉각라인(121)으로 냉각수가 순환되지 않은 상태에서, 상기 배터리 모듈(130)을 승온 함에 따라, 상기 제1 분기라인(120)을 통과하는 냉각수에 포함된 기포 중, 일부를 상기 리저버 탱크(16)로 유입시켜 상기 냉각라인(121)과 상기 제1 분기라인(143)의 압력 차이 발생을 방지한다.

한편, 상기 가열기(137)는 ON 작동되어 상기 배터리 냉각라인(131)에서 순환되는 냉각수를 가열한다. 상기 가열기(137)를 통과하면서 온도가 상승된 냉각수는 상기 배터리 냉각라인(131)과 상기 제1 분기라인(143)을 따라 순환하면서 상기 배터리 모듈(130)로 유입된다.

즉, 제1 밸브(140)의 작동을 통해 상기 배터리 냉각라인(131)을 따라 순환하는 냉각수는 상기 라디에이터(122)로 유입되는 것이 방지되고, 폐쇄된 회로를 독립적으로 순환한다.

따라서, 배터리 냉각라인(131)을 순환하는 냉각수는 상기 가열기(137)의 작동을 통해 가열된 상태로, 상기 배터리 모듈(130)로 유입된다. 즉, 상기 배터리 모듈(130)은 가열된 냉각수의 유입으로 신속하게 웜업 될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배터리 냉각 시스템(100)을 적용하면, 전기자동차 또는 하이브리드 차량에서 에어컨수단(110)과 냉각수단(120)을 순환하는 냉매와 냉각수를 선택적으로 사용하여 수랭식으로 배터리 모듈(130)을 승온 또는 냉각시킴으로써, 시스템의 단순화가 가능하고, 효율적인 배터리 관리를 통해 차량의 전체적인 주행거리를 증가시킬 수 있다.

또한, 에어컨수단(120)과 냉각수단(130)을 연동시키기 위한 밸브의 개수를 최소화하여 비용을 절감하고, 빈번한 밸브 개폐작동으로 인한 소음 및 진동을 줄여 차량의 승차감을 향상시킬 수 있다.

아울러, 배터리 모듈(130)과 모터(125) 및 전장품(126)을 직렬로 연결하고, 두 개의 워터펌프(124, 133)를 통해 냉각라인(121) 및 배터리 냉각라인(131)으로 유동되는 냉각수의 유량을 증대시킴으로써, 전체적인 냉각성능을 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.

100 : 배터리 냉각 시스템
110 : 에어컨수단
111 : 냉매라인
112 : 압축기
113 : 응축기
114 : 제1 팽창밸브
115 : 증발기
116 : 제2 팽창밸브
117 : 연결라인
120 : 냉각수단
121 : 냉각라인
122 : 라디에이터
123 : 쿨링팬
124 : 제1 워터펌프
125 : 모터
126 : 전장품
129 : 리저버 탱크
130 : 배터리 모듈
131 : 배터리 냉각라인
133 : 제2 워터펌프
135 : 칠러
137 : 가열기
140 : 제1 밸브
143 : 제1 분기라인
150 : 제2 밸브
153 : 제2 분기라인
160 : 디가싱 라인

Claims

냉매라인으로 연결되는 압축기, 응축기, 증발기, 및 제1 팽창밸브를 포함하며 차량 실내를 냉방하도록 냉매를 순환시키는 에어컨수단;
냉각라인으로 연결되는 라디에이터와 제1 워터펌프를 포함하며, 모터와 전장품을 냉각하도록 냉각수를 순환시키는 냉각수단;
상기 냉각수단과 선택적으로 연결되어 냉각수가 유동되도록, 상기 냉각라인과 배터리 냉각라인을 통해 연결되며, 상기 배터리 냉각라인에 구비되는 제2 워터펌프의 작동을 통해 내부에 냉각수가 순환되는 배터리 모듈; 및
상기 냉매라인과 연결라인을 통해 연결되고, 상기 배터리 냉각라인에 구비되며, 내부에 선택적으로 유입되는 냉각수와 냉매를 열교환시켜 냉각수의 온도를 조절하는 칠러; 를 포함하되,
상기 배터리 냉각라인에는 상기 라디에이터와 상기 칠러의 사이에서 상기 냉각라인과 상기 배터리 냉각라인을 선택적으로 연결하는 제1 밸브가 구비되고,
상기 냉각라인에는 상기 라디에이터와 상기 배터리 모듈 사이에서 상기 냉각라인과 상기 배터리 냉각라인을 선택적으로 연결하는 제2 밸브가 구비되며,
상기 배터리 냉각라인에는 상기 제1 밸브를 통해 상기 칠러와 상기 배터리 모듈을 연결하는 제1 분기라인이 구비되고,
상기 라디에이터와 상기 제2 밸브 사이에서 상기 냉각라인에는 리저버 탱크가 구비되며,
상기 리저버 탱크는 상기 제1 분기라인과 디가싱(degassing) 라인을 통해 연결되고,
상기 디가싱 라인은 상기 배터리 모듈을 승온할 경우에 상기 냉각라인과 상기 배터리 냉각라인의 압력균형이 유지되도록 상기 제1 분기라인을 통과하는 냉각수에서 발생된 기포를 상기 리저버 탱크로 배출, 또는 상기 냉각라인을 순환하는 냉각수로부터 발생되어 포집된 기포를 상기 제1 분기라인으로 유입시키며,
상기 디가싱 라인은 상기 냉각라인으로 냉각수가 순환되지 않은 상태에서, 냉매와 열교환된 냉각수를 이용하여 상기 배터리 모듈을 냉각할 경우에 상기 제1 분기라인을 통과하는 냉각수에 포함된 기포 중, 일부를 상기 리저버 탱크로 유입시켜 상기 냉각라인과 상기 제1 분기라인의 압력 차이 발생을 방지하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 시스템.
제1항에 있어서,
상기 연결라인에는
상기 응축기와 상기 칠러 사이에 제2 팽창밸브가 구비되는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 시스템.
제2항에 있어서,
상기 제2 팽창밸브는
냉매로 상기 배터리 모듈을 냉각할 경우에 작동되며, 상기 연결라인을 통해 유입되는 냉매를 팽창시켜 상기 칠러로 유입시키는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 시스템.
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제1항에 있어서,
상기 제1 밸브는
상기 라디에이터에서 냉각된 냉각수를 이용한 상기 배터리 모듈의 냉각 시에, 상기 라디에이터와 연결되는 상기 냉각라인과 상기 배터리 냉각라인을 연결하고, 상기 제1 분기라인은 폐쇄하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1 밸브는
상기 배터리 모듈을 승온 시킬 경우, 또는 냉매와 열교환된 냉각수를 이용하여 상기 배터리 모듈을 냉각할 경우에 상기 제1 분기라인을 개방하고, 상기 냉각라인과 상기 배터리 냉각라인의 연결을 폐쇄하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 시스템.
제1항에 있어서,
상기 냉각라인에는
상기 전장품과 상기 칠러의 사이에서 상기 제2 밸브의 작동을 통해 상기 라디에이터와 상기 모터, 및 상기 전장품 사이를 연결하는 제2 분기라인이 구비되는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 시스템.
제8항에 있어서,
상기 제2 밸브는
상기 라디에이터에서 냉각된 냉각수를 이용해 상기 배터리 모듈을 냉각할 경우에 상기 제2 분기라인을 폐쇄하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 시스템.
제8항에 있어서,
상기 제2 밸브는
냉각수를 이용해 상기 모터 및 상기 전장품만을 냉각할 경우에 상기 냉각라인과 상기 배터리 냉각라인의 연결을 폐쇄하며, 상기 제2 분기라인을 개방하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 시스템.
제8항에 있어서,
상기 제2 밸브는
냉매와 열교환된 냉각수를 이용하여 상기 배터리 모듈을 냉각할 경우, 또는 상기 배터리 모듈의 웜업 및 승온할 경우에 상기 제2 분기라인을 개방하고, 상기 냉각라인과 상기 배터리 냉각라인의 연결을 폐쇄하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1 밸브와 상기 제2 밸브는 3-Way 밸브인 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 시스템.
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제1항에 있어서,
상기 모터와 상기 전장품은 상기 라디에이터와 상기 제1 워터펌프의 사이에서 상기 냉각라인 상에 직렬로 배치되는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 시스템.
제1항에 있어서,
상기 전장품은
상기 모터와 상기 제1 워터펌프 사이에서 상기 냉각라인 상에 구비되는 전력제어장치(EPCU :Electric Power Control Unit);
상기 모터와 상기 라디에이터 사이에서 상기 냉각라인 상에 구비되는 충전기(OBC : On Board Charger);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 시스템.
제1항에 있어서,
상기 배터리 모듈과 상기 칠러 사이에서 상기 배터리 냉각라인에 구비되는 가열기가 구비되고,
상기 가열기는 상기 배터리 모듈의 승온 시에 ON 작동되어 상기 배터리 냉각라인에서 순환되는 냉각수를 가열하여 상기 배터리 모듈로 유입시키는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 냉각 시스템.