KR102277723B1 - 높은 냉각 용량 및 수동 배터리 냉각을 갖는 에어컨 및 배터리 냉각 장치와 에어컨 및 배터리 냉각 장치의 작동 방법 - Google Patents

높은 냉각 용량 및 수동 배터리 냉각을 갖는 에어컨 및 배터리 냉각 장치와 에어컨 및 배터리 냉각 장치의 작동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 에어컨 냉각제 회로, 전기 구동 트레인 냉각제 회로 및 냉매 회로를 구비한 에어컨 및 배터리 냉각 장치에 관한 것이며, 상기 에어컨 냉각제 회로 및 상기 전기 구동 트레인 냉각제 회로는 4/2 방향 냉각제 밸브를 통해 서로 연결되어, 상기 에어컨 냉각제 회로 및 상기 전기 구동 트레인 냉각제 회로가 별도로 작동될 수 있거나 또는 직렬로 유동 가능하게 설계된다.

Description

높은 냉각 용량 및 수동 배터리 냉각을 갖는 에어컨 및 배터리 냉각 장치와 에어컨 및 배터리 냉각 장치의 작동 방법{AIR CONDITIONING AND BATTERY COOLING ARRANGEMENT WITH HIGH COOLING CAPACITY AND PASSIVE BATTERY COOLING AS WELL AS METHOD FOR OPERATING AN AIR CONDITIONING AND BATTERY COOLING ARRANGEMENT}
본 발명은 배터리 전기 자동차를 위한 높은 냉각 용량 및 수동 배터리 냉각을 갖는 에어컨 및 배터리 냉각 장치, 그리고 차량의 공조(air conditioning) 및 배터리의 냉각을 위한 방법에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 소위 고전압 배터리 또는 축전지로 작동되는 전기 자동차, 하이브리드 구동 차량 또는 연료 전지 차량용 열 시스템의 개념에 관한 것이다. 전술한 고도의 전동 차량(high electrified vehicle)은 종종 전기 에너지 저장 장치를 급속 충전할 수 있는 가능성을 갖는다. 이와 관련하여, 급속 충전 동안 해당 에너지 저장 장치의 냉각에 대한 요구가 증가하고 있다. 큰 충전 전류는 특히 높은 전기 손실 및 그에 따라 에너지 저장 장치의 강한 가열로 이어진다.
따라서, 배터리의 급속 충전 과정 동안, 특히 높은 냉각 용량이 열 시스템에 의해 제공되어야 하며, 이는 종래의 배터리 냉각 시스템에 대한 도전 과제이다.
배터리 전기 자동차의 운전자 및 사용자의 관점에서, 고전압 배터리의 충전 시간은 주요 단점이다. 예컨대, 고전압 배터리의 충전 시간은 일반적인 가정용 소켓에서 8시간 내지 12시간 걸린다. 배터리 전기 자동차의 크루징 레인지는 일반적으로 150 내지 300 킬로미터이기 때문에, 사용자는 차량을 자주 충전해야 한다.
따라서, 전기 자동차의 수용을 증가시키기 위한 중요한 전제 조건 및 주요 특징은 고전압 배터리의 충전 시간을 크게 줄이는 것이다. 이러한 이유로, 배터리의 충전 시간을 약 20분으로 줄이기 위해 소위 초고속 충전 기술이 개발되고 있다. 이를 위해 필요한 충전 인프라는 향후 몇 년 안에 유럽의 주요 도로를 따라 구축될 것이다. 소위 "초고속 고전력 충전 네트워크"와 같은 적절한 기술에 의해, 최대 350 킬로와트의 충전 전력이 제공될 것이므로, 배터리 충전은 기존의 주유소에서 연료 소비 차량의 급유와 비슷할 것이다. 배터리 급속 충전의 단점 중 하나는 예컨대, 리튬 이온 배터리가 비교적 높은 전력 밀도를 제공하지만, 특히 높은 주변 온도에서 고전압 배터리의 빠른 과열을 야기할 수 있는, 과충전, 과방전 및 높은 충전 전류가 발생하기 쉽다는 것이다. 고전압 배터리의 손상을 피하기 위해, 충전 전자 장치는 전압 및 온도를 포함한 배터리의 상태를 모니터링하고 이에 따라 충전 전류를 조정한다.
급속 충전 과정 동안 높은 충전 속도를 보장하려면, 고전압 배터리를 10℃ 내지 35℃의 특정 온도 범위로 유지하는 고전압 배터리의 능동 냉각이 필요하다. 이를 위해, 직접 냉매 냉각식으로 또는 간접 냉각제 냉각식으로 차량의 냉각 회로에 연결되어 배터리를 소정 온도 레벨로 유지하는 고전압 배터리 냉각기들이 종래 기술에 공지되어 있다. 배터리 셀에 의해 생성된 폐열은 냉각제 또는 냉매에 의해 흡수되어 주변으로 방출되거나 필요에 따라 객실을 가열하는 데에도 사용된다.
직접 냉매 냉각식 배터리 냉각 시스템의 경우, 냉매 회로는 저압 측에서 증발기 내의 냉매의 증발에 의해 고전압 배터리 또는 차량 객실의 폐열을 흡수한다. 증발된 냉매는 압축기에 의해 더 높은 압력 레벨로 압축된다. 압축 작업은 냉매에 열을 추가로 공급한다. 압축기의 출구에서, 냉매는 고온 고압 가스로서 응축기 내로 들어간다. 응축기 내부에서, 이전에 흡수된 기화 열 및 압축 열은 공냉식 응축기의 경우 공기로, 또는 예컨대 수냉식 응축기의 경우 냉각제로 방출된다. 냉매는 팽창 요소 내로 들어가기 전에 고압 하에서 액상으로 응축기를 벗어난다. 팽창 요소를 통해 흐르는 냉매는 고압으로부터 저압 레벨로 팽창된다. 따라서, 냉매의 온도는 다시 폐열 흡수에 적합한 레벨로 떨어진다. 차가운 액상 냉매는 증발기 내로 들어가서 증발하면서 다시 열을 흡수할 수 있어서, 냉매 회로가 폐쇄된다.
급속 충전 과정 동안, 배터리 셀에서 약 8 킬로와트 내지 12 킬로와트의 폐열이 발생한다. 따라서, 주변 온도가 높은 경우, 셀 온도를 임계 값 미만으로 낮추거나 그대로 유지하기 위해서는 차량 에어컨디셔닝 시스템의 냉각 용량이 차량 객실 에어컨디셔닝에 추가해서 배터리 폐열을 흡수할 수 있어야 한다.
공지된 시스템에서, 공기 열교환기 및 라디에이터라고도 하는 응축기의 성능은 약점이며 적절한 치수 설계는 큰 도전 과제이다. 응축기를 통한 직접 열 방출의 경우 또는 라디에이터를 통한 간접 열 방출의 경우, 차량 객실 및 배터리로부터 나온 전체 기화 열 그리고 압축기의 압축 열이 주변 공기로 방출된다.
급속 충전 과정 동안, 응축기 또는 라디에이터는 충전 과정 중에 차량이 소켓에 연결되는 동안 컨디셔닝 시스템으로부터 나온 약 20 킬로와트 내지 22 킬로와트의 폐열을 주변으로 방출할 수 있어야 한다. 그러나, 종래의 응축기 또는 간단한 라디에이터는 차량의 정지 시에 무부하 상태에서 이러한 출력을 제공할 수 없다. 주행 중 주행풍으로 인한 높은 공기 속도에서만 응축기 또는 라디에이터가 필요한 출력을 제공할 수 있다.
이러한 이유로, 냉각 회로의 열 방출은 배터리 전기 자동차의 충전 전력 및 그에 따라 충전 시간에 큰 영향을 미친다.
배터리 전기 자동차의 다양한 배터리 냉각 시스템들이 종래 기술에 공지되어 있다.
US 2009/0317697 A1에는 바이패스를 갖는 배터리 냉각기 시스템이 개시되어 있고, 여기서는 다양한 회로 구성 및 바이패스를 통해 배터리 냉각이 차량 객실의 에어컨디셔닝과 함께 실현된다.
공지된 해결책의 단점은 특히 차량의 정지 상태에서 급속 충전의 경우, 냉각 용량이 종래의 시스템에 의해 충분히 제공될 수 없다는 것이다. 이러한 이유로, 종래 기술은 냉각 용량 부족의 문제를 해결하기 위한 다른 접근법을 추구한다.
예컨대, US 2017/0096073 A1에는 충전 단계 동안 전기 자동차의 열 관리 시스템을 갖춘 충전 스테이션이 나타난다. 이 시스템은 충전 과정 동안 배터리를 냉각시키기 위한 냉각 용량이 충분히 제공되는 차량의 배터리 냉각 회로와 충전 스테이션의 외부 냉각 회로의 연결을 포함한다.
대안으로서, 충전 스테이션의 외부 시스템이 이용될 수 없는 경우, 충전 과정 동안 일정 비율의 폐열을 저장할 수 있는 별도의 내부 저장소가 차량에 제공된다.
외부 냉각 용량을 가진 시스템의 단점은 전기 충전 스테이션에 냉각 스테이션을 추가로 제공하기 위해 매우 많은 인프라 비용이 필요하다는 것이다.
또한, 차량의 냉각 시스템과 충전 과정을 위한 충전 스테이션의 결합은 사용자의 추가적인 조작 노력을 수반한다. 전기 연결에 추가해서, 유체 연결의 형성에 의한 시스템의 추가 연결은 배터리 충전 과정을 위한 전기 연결보다 기술적으로 더 복잡할 수 있다.
본 발명의 과제는 에너지 저장 장치에 대한 증가된 요구에 따라 상기 에너지 저장 장치를 차량 내에서 온보드 에어컨디셔닝 수단에 의해 적절하게 냉각시킬 수 있도록 하는 것이다.
특히, 차량의 정지 상태에서 급속 충전 과정의 경우 높은 냉각 용량을 제공 할 수 있지만, 차량 에어컨디셔닝 시스템에 대한 전형적인 요구 사항 프로파일을 충족시킬 수 있는 시스템이 제공되어야 한다.
상기 과제는 독립 청구항들의 대상들에 의해 해결된다. 개선 예들은 종속 청구항들에 제시되어 있다.
먼저, 냉각 용량 확장 문제를 해결하기 위한 몇 가지 방법이 있다. 한 가지 방법은 차량의 정지 상태에서 응축기 또는 라디에이터의 출력을 높이는 것이다. 이를 위해, 응축기 또는 라디에이터의 단부면이 확대될 수 있다. 다른 양태는 충전 과정 동안 소정 열량을 흡수할 수 있는 열 저장기를 제공하는 것이다. 끝으로, 고성능 팬을 사용하여 정지 상태일 때 라디에이터 내의 공기량을 증가시켜 부족한 주행풍을 보충하거나 대체 할 수 있다.
본 발명의 개념에 따르면, 상기 과제는 주변 공기로의 열전달 용량이 특정 작동 상태 및 파라미터 구성에 대한 서브 시스템들의 연결 및 조합에 의해 증가되고, 열 관리 시스템의 개별 서브 시스템들이 모듈 방식으로 그리고 가변적으로 필요에 따라 상호 연결 가능하거나 분리 가능하도록 설계됨으로써 해결된다.
본 발명의 과제는 특히 에어컨 냉각제 회로 및 전기 구동 트레인 냉각제 회로 및 냉매 회로를 포함하는 에어컨 및 배터리 냉각 장치에 의해 달성되며, 상기 에어컨 냉각제 회로 및 전기 구동 트레인 냉각제 회로는 4/2 방향 냉각제 밸브를 통해 서로 연결되어, 상기 에어컨 냉각제 회로 및 전기 구동 트레인 냉각제 회로가 별도로 작동 가능하거나 직렬로 유동 가능하게 설계된다.
또한, 에어컨 냉각제 회로는 주변 공기로 열 방출을 위한 적어도 하나의 에어컨 냉각제 라디에이터, 냉각제 펌프 및 응축기를 포함하며, 상기 응축기를 통해 에어컨 냉각제 회로가 냉매 회로와 열적으로 연결된다.
전기 구동 트레인 냉각제 회로는 적어도 하나의 배터리 냉각기, 냉각제 펌프, 주변 공기로 열 방출을 위한 구동 트레인 냉각제 라디에이터 및 칠러를 포함하며, 상기 칠러를 통해 전기 구동 트레인 냉각제 회로가 냉매 회로와 열적으로 연결된다.
냉매 회로는 적어도 하나의 압축기, 응축기, 주변 공기로 열 방출 또는 주변 공기로부터 열 흡수를 위한 주변 열교환기, 팽창 요소 및 칠러를 포함한다. 4/2 방향 냉각제 밸브는 에어컨 냉각제 라디에이터의 출력부를 구동 트레인 냉각제 라디에이터의 입력부에 연결한다. 또한, 3/2 방향 밸브는 에어컨 냉각제 회로와의 연결부를 가진 구동 트레인 냉각제 라디에이터의 출력부에 배치된다.
4/2 방향 밸브의 위치는 냉각제 회로의 분리로 인해 부품의 유동 시퀀스가 달라지도록 선택된다. 저온 라디에이터라고도 하는 구동 트레인 냉각제 라디에이터 하류의 추가 3/2 방향 밸브와 조합하여, 전기 구동 트레인이 더 이상 에어컨 냉각제 라디에이터 및 구동 트레인 냉각제 라디에이터와 동일한 냉각제 회로에 있지 않도록 밸브를 스위칭하는 것이 가능하다. 이로 인해, 주변 측 전체 열전달면은 히트 싱크로서 냉각 회로에 제공된다. 이 작동 모드는 차량의 정지 및 동시에 트랙션 배터리의 급속 충전의 경우 작동에서 특히 바람직하다. 그 동안, 구동 트레인은 냉각되지 않고, 냉각제의 균일화 기능을 유지하기 위해 작은 회로에서만 유동된다.
냉매 회로는 베이스 라인 내에 응축기와 압축기를 포함한다. 상기 베이스 라인은 압축기 하류 3/2 방향 밸브에서 2개의 서브 라인으로 나눠지며, 상기 서브 라인들을 통해 냉매가 대안으로서 또는 누적적으로 함께 흐를 수 있다. 하나의 서브 라인은 응축기를 포함하고, 다른 서브 라인은 내부 응축기로서 작용하는 냉매 가열 열교환기를 포함한다. 서브 라인들은 주변 열교환기 상류에서 다시 병합된다. 에어컨 냉각제 회로는 응축기를 통해 냉매 회로에 연결된다.
전기 구동 트레인 냉각제 회로는 상호 연결 가능한 다수의 서브 라인을 갖는다. 3개의 냉각제 펌프가 제공되어, 형성된 부분 회로를 통해 냉각제가 독립적으로 흐를 수 있게 한다. 하나의 서브 라인은 각각 하나의 냉각제 펌프를 갖는 프론트 구동부 및 리어 구동부의 전기 구동 트레인의 컴포넌트들에 의해 평행 라인으로서 형성된다. 다른 서브 라인은 추가 냉각제 펌프, 냉각제 가열 장치 및 배터리 냉각기에 의해 형성되며, 배터리 냉각기용 바이패스 및 대안으로서 냉각제 가열 장치에 대한 바이패스가 추가로 제공된다. 상기 서브 라인는 먼저 언급된 서브 라인에 대해 평행하다. 다른 평행한 서브 라인은 칠러를 포함한다. 끝으로, 하나의 서브 라인은 4/2 방향 냉각제 밸브를 통한 구동 트레인 냉각제 라디에이터와의 연결부로서 설계된다. 이로 인해, 5개의 서브 라인이 주어지며, 이들 중 4개는 서로 병렬로 연결되어 전기 구동 트레인 냉각제 회로를 형성한다.
열 운반체로서 사용되거나 응용 분야에 따라 냉기 운반체로도 사용되는 열 전달액이 일반적으로 냉각제로서 간주된다. 예컨대, 물-글리콜 혼합물이 특히 자동차 내의 냉각제 회로에 보급된다.
냉매 회로는 실질적으로 압축기의, 냉매 냉각식 또는 수냉식 응축기의 이미 언급된 컴포넌트들 그리고 상류에 연결된 팽창 요소를 갖는 주변 열교환기로 이루어진다. 따라서, 주변 열교환기는 응축기용 애프터 쿨러 또는 서브 쿨러로서 또는 열 펌프 모드에서 주변 공기로부터 열 흡수를 위한 증발기로서 작용할 수 있다. 또한, 차량 객실의 냉각을 위한 증발기 및 칠러는 냉매 회로의 라인들의 부분이다. 칠러는 냉매 측에서 증발기이며, 따라서 상류 연결된 관련 팽창 요소를 갖는다. 칠러는 배터리 냉각제 라인을 포함하는 전기 구동 트레인 냉각제 회로로부터 열을 흡수한다.
에어컨 냉각제 라디에이터는 에어컨 냉각제 회로에서 4/2 방향 냉각제 밸브를 가진 서브 라인에 배치된 액체-공기 열교환기이며, 상기 에어컨 냉각제 라디에이터는 출력 측에서 4/2 방향 냉각제 밸브에 연결된다.
구동 트레인 냉각제 라디에이터는 액체-공기 열교환기이며, 전기 구동 트레인 냉각제 회로에서 마찬가지로 4/2 방향 냉각제 밸브를 갖는 서브 라인 내에 배치되고, 4/2 방향 냉각제 밸브는 입력 측에서 구동 트레인 냉각제 라디에이터에 연결된다.
열교환기 에어컨 냉각제 라디에이터 및 구동 트레인 냉각제 라디에이터는 각각 에어컨 냉각제 회로 및 전기 구동 트레인 냉각제 회로의 서브 라인들에서 서로 분리되어 작동될 수 있고, 4/2 방향 냉각제 밸브를 통해 직렬로 연결될 수 있어서 직렬로 연속적으로 유동 가능하게 설계된다.
주변 열교환기는 냉매 회로에서 응축기 하류에 배치되는 냉매-공기 열교환기이다.
상기 3개의 열교환기는 냉각 시스템 작동 동안 열이 주변 공기로 방출되거나 또는 특정 작동 상태에서 열 펌프 작동 동안 주변 공기로부터 열이 흡수되는 공기 열교환기이다.
칠러는 전기 구동 트레인 냉각제 회로의 서브 라인 내에 배치되는 냉매-냉각제 열교환기이다.
에어컨 및 배터리 냉각 장치의 냉각 용량을 높이는 기술적 개념은 필요한 냉각 용량이 특히 높고 이에 따라 냉매 회로에서 응축 열이 발생하는 시간에 폐열 방출을 위해 3개의 공기 열교환기가 제공된다는 것이다.
또한, 배터리 냉각은 능동적으로 또는 수동적으로 냉매 회로 또는 냉각제 회로를 통해 이루어질 수 있으며, 이 경우 능동 배터리 냉각은 냉매 회로의 냉각 용량을 사용하여 배터리를 냉각하는 것을 의미하고, 수동 배터리 냉각은 냉각제 회로의 냉각 용량을 사용하는 것을 의미한다. 그후, 냉각제 회로는 폐열을 공기 열교환기 내의 주변 공기로 방출한다. 본 발명의 개념의 다른 양태는 폐열이 배터리 냉각으로부터 분리된 냉각제 회로의 영역에 일시적으로 저장되는 것이다. 그후, 일시적으로 흡수되어 저장된 폐열은 다른 작동 상태에서 주변으로 방출된다.
냉매 회로는 바람직하게는 차량 객실을 가열하기 위한 내부 응축기로서 냉매 가열 열교환기를 포함하고, 상기 냉매 가열 열 교환기는 응축기와 병렬로 또는 응축기에 대한 대안으로서 스위칭 가능하게 냉매 회로 내에 설계된다.
에어컨 및 배터리 냉각 장치는, 전기 구동 트레인 냉각제 회로가 하나의 서브 라인 내에 가열 장치를 포함하며 상기 가열 장치가 배터리 냉각기 상류에 직렬로 연결되고 배터리 냉각기에 대한 바이패스가 형성됨으로써 바람직하게 보완된다.
또한, 가열 장치에 대한 바이패스가 추가로 형성되는 것이 바람직하다.
전기 구동 트레인 냉각제 회로에서, 냉각제 펌프 및/또는 인버터 및/또는 전기 모터 열 교환기가 바람직하게는 배터리 냉각기와 병렬로 유동 가능하게 하나의 서브 라인 내에 배치된다.
바람직하게는 냉매 회로에서 팽창 요소가 응축기 하류에 그리고 주변 열교환기 상류에 배치되며, 그 결과 주변 열교환기는 열 펌프 모드에서 주변 공기로부터 열 흡수를 위한 증발기로서 작동 가능하게 설계된다.
냉매 회로에서, 실시 예에 따라, 상류에 연결된 관련 팽창 요소를 갖는 프론트 증발기 및/또는 상류에 연결된 관련 팽창 요소를 갖는 리어 증발기가 병렬로 연결되어 배치된다. 또한, 필요하면 저압 수집기가 냉매 회로 내에서 압축기 상류에 배치된다.
차량 객실에 대한 가열 능력을 증가시키기 위해, 특히 PTC 가열 요소와 같은 추가 가열 장치가 리어 증발기 및/또는 냉매 가열 열교환기 상에 배치되는 것이 바람직하다.
전기 구동 트레인 냉각제 회로에서, 병렬 구동부들이 제공되는 경우, 프론트 구동부 및 리어 구동부의 분리된 병렬 냉각을 위해 2개의 병렬 라인이 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 과제는 또한 에어컨 및 배터리 냉각 장치의 작동 방법에 의해, 높은 주변 온도에서 냉각 용량 요구량이 높은 경우 그리고 배터리 급속 충전을 위해, 냉매 회로 내의 칠러가 작동되고 냉매 회로로부터 나온 응축 열이 부분적으로 응축기를 통해 에어컨 냉각제 회로로 그리고 부분적으로 주변 열교환기를 통해 주변 공기로 전달됨으로써 해결된다. 냉각제 회로는 직렬로 연결된 에어컨 냉각제 라디에이터, 4/2 방향 냉각제 밸브 및 구동 트레인 냉각제 라디에이터 및 3/2 방향 밸브 및 냉각제 측 응축기로 이루어진다. 응축 열의 일부는 에어컨 냉각제 회로를 통해 주변 공기로 방출되고, 에어컨 냉각제 라디에이터 및 구동 트레인 냉각제 라디에이터는 4/2 방향 냉각제 밸브를 통해 직렬로 연결된다. 배터리 냉각기와 냉매 회로의 칠러는 별도의 냉각제 회로를 형성한다. 전기 구동 트레인 냉각제 회로는 회로 내의 바이패스를 통해 스위칭된다.
냉매 회로에서, 칠러 외에 프론트 증발기 및/또는 리어 증발기가 차량 객실의 에어컨디셔닝을 위한 냉기를 발생시키기 위해 추가로 작동되는 것이 바람직하다.
차량 객실의 에어컨디셔닝 및 전기 구동 트레인의 냉각을 위한 냉각 용량 요구량이 높은 경우, 냉매 회로 내의 프론트 증발기 및/또는 리어 증발기 및 칠러가 배터리 냉각을 위해 작동되는 것이 바람직하다. 냉매 회로로부터 나온 응축 열은 주변 열교환기를 통해 주변 공기로 그리고 응축기를 통해 에어컨 냉각제 회로로 그리고 에어컨 냉각제 라디에이터를 통해 주변 공기로 방출된다. 구동 트레인 냉각제 라디에이터는 전기 구동 트레인 냉각제 회로로부터의 폐열을 주변 공기로 방출하고, 배터리 냉각기는 냉매 회로의 칠러와 함께 별도의 냉각제 회로를 형성한다.
차량 객실의 에어컨디셔닝 및 수동 배터리 냉각을 위한 냉각 용량 요구량이 중간인 경우, 냉매 회로 내의 프론트 증발기 및/또는 리어 증발기가 작동된다. 냉매 회로로부터 나온 응축 열은 부분적으로 주변 열교환기를 통해 주변 공기로 방출된다. 전기 구동 트레인 냉각제 회로, 및 구동 트레인과 병렬로 연결된 배터리 냉각기로부터의 폐열은 직렬 연결된 에어컨 냉각제 라디에이터 및 구동 트레인 냉각제 라디에이터를 통해 주변 공기로 방출된다. 냉각제 회로는 3/2 방향 밸브로부터 4/2 방향 밸브, 응축기 및 에어컨/냉각제 라디에이터를 통해 구동부 냉각 라인 및 배터리 냉각 라인에 대한 분기점으로서의 3/2 방향 밸브로 연결된다.
바람직하게는, 차량 객실 가열 및 배터리 가열의 경우 그리고 능동 전기 구동 트레인 냉각을 위한 냉각 용량 요구량이 중간인 경우, 냉매 회로 내의 칠러가 작동된다. 냉매 회로로부터의 응축 열은 차량 객실을 가열하기 위해 냉매 가열 열교환기로 방출되고, 추가의 응축 열은 주변 열교환기를 통해 주변 공기로 방출된다. 배터리 냉각기는 배터리 가열을 위한 별도의 회로에서 가열 장치에 연결된다.
차량 객실 가열 및 수동 전기 구동 트레인 가열 및 능동 배터리 냉각의 경우, 냉매 회로로부터의 폐열이 냉매 가열 열교환기로 방출된다. 배터리 냉각제 회로는 배터리 냉각기 및 칠러에 연결된다. 전기 구동 트레인 냉각제 회로는 회로 내의 바이패스를 통해 수동적으로 자체 가열되도록 연결된다.
바람직하게는, 부스트 모드에서 집중 차량 객실 가열 및 수동 전기 구동 트레인 가열의 경우, 냉매 회로로부터의 폐열은 냉매 가열 열교환기로 방출된다. 배터리 냉각제 회로는 칠러 및 가열 장치에 연결되어 냉각제를 가열하고, 3/2 방향 밸브 하류의 배터리 냉각기가 유동되지 않고 냉각제는 바이패스 내로 안내된다. 전기 구동 트레인 냉각제 회로는 회로 내의 바이패스를 통해 수동적으로 자체 가열되도록 연결된다.
본 발명의 개념은 냉각제 회로의 분리로 인해 부품의 유동 시퀀스가 달라진다는 것이다.
구동 트레인 냉각제 라디에이터 하류의 추가 3/2 방향 밸브와 조합하여, 전기 구동 트레인이 더 이상 라디에이터와 동일한 냉각제 회로에 있지 않도록 밸브를 스위칭하는 것이 가능하다. 결과적으로, 라디에이터의 주변 측 전체 열전달면은 히트 싱크로서 냉매 회로에 제공된다. 이 작동 모드는 작동 중에 차량의 정지 및 동시에 트랙션 배터리의 급속 충전의 경우 특히 바람직하다. 그 동안 구동 트레인은 냉각되지 않고 냉각제의 균일화 기능을 유지하기 위해 작은 회로에서만 유동된다.
배터리 냉각 회로에서, 추가 밸브를 가진 추가 바이패스 라인이 제공된다. 이러한 확장에 의해, 트랙션 배터리로부터 열을 제거하지 않으면서 열 펌프의 경우 배터리 균일화 기능이 유지되는 한편, 동시에 구동 트레인으로부터 열이 제거될 수 있다. 이 기능은 열 안정성으로 인해 트랙션 배터리가 더 이상 냉각될 필요가 없는 경우 바람직하지만, 그럼에도 차량 객실에 대한 가열 능력을 효율적으로 제공하기 위해 열이 필요하다.
가열 모드에서, 냉각제 열교환기 대신에, 내부 응축기라고도 하는 냉매 가열 열교환기가 차량 객실에 유입되는 공기를 가열하기 위해 사용된다. 따라서 항상 냉각제-냉매 열교환기, 응축기를 사용할 필요가 없게 된다. 이에 따라, 전체적으로 더 효율적인 작동이 가능하며, 트랙션 배터리와 구동 트레인으로부터의 매우 많은 폐열이 직접 주변으로 방출되어야 하고 이를 위해 냉매 회로가 사용되지 않아야하는 경우, 필요하면, 10℃ 내지 20℃의 온화한 주변 온도에서 더 효과적인 수동 배터리 냉각이 가능해진다.
본 발명의 장점은 작동 중에 차량의 정지 및 동시에 트랙션 배터리의 급속 충전의 경우, 4/2 방향 밸브가 스위칭되어 냉각 회로를 위해 냉매-공기 열교환기("서브 쿨러") 및 냉각제-공기 열교환기("라디에이터")가 히트 싱크로서 제공되면, 열교환기의 유동 방향이 최적이라는 것이다.
동시에, 필요하지 않을 때, 구동 트레인이 항상 냉각될 필요가 없다는 것이 바람직하다. 이는 냉각 용량을 절약하고, 상기 냉각 용량은 트랙션 배터리 또는 차량 객실의 컨디셔닝을 위해 사용될 수 있다.
가열 모드에서, 열이 칠러를 통해 트랙션 배터리 및 구동 트레인으로부터 열이 제거되어야 하면, 열 안정성이 주어지는 경우 열이 더 제거될 수 있다는 추가적인 장점이 있다. 종래 기술에서는, 동시에 구동 트레인으로부터 열이 제거될 수 없다.
가열 모드에서 열이 냉매-공기 열교환기에 의해 차량 객실로 유입되는 것이 바람직하다. 냉매 회로로부터 열이 직접 공급됨으로써, 열이 최적의 에너지 효율로 제공된다.
본 발명의 실시 예들의 추가의 세부 사항, 특징 및 장점은 관련 도면을 참조하는 실시 예에 대한 다음 설명에 나타난다.
도 1은 2 개의 칠러를 구비한 에어컨 및 배터리 냉각 장치의 회로도,
도 2는 하나의 칠러를 구비한 에어컨 및 배터리 냉각 장치의 회로도,
도 3은 고온에서 급속 충전의 경우 냉동 능력 요구량의 흐름 회로도,
도 4는 차량 객실의 에어컨디셔닝 및 전기 구동 트레인의 냉각을 위한 높은 냉동 능력 요구량의 경우 흐름 회로도,
도 5는 수동 전기 구동 트레인 냉각 및 수동 배터리 냉각 시에, 차량 객실의 에어컨디셔닝을 위한 중간의 냉동 능력 요구량의 경우 흐름 회로도,
도 6은 차량 객실 가열 및 배터리 가열의 경우 그리고 능동 전기 구동 트레인 냉각을 위한 중간의 냉동 능력 요구량의 경우 흐름 회로도,
도 7은 차량 객실 가열 및 수동 전기 구동 트레인 가열 및 능동 배터리 냉각의 경우 흐름 회로도, 및
도 8은 집중 차량 객실 가열 및 수동 전기 구동 트레인 가열의 경우 흐름 회로도이다.
도 1은 2개의 칠러(12, 14)를 구비한 에어컨 및 배터리 냉각 장치(1)를 모든 필수 구성 요소 및 선택적 상호 접속을 갖는 회로도로서 도시하고 있다. 냉각제 회로와 냉매 회로의 조합체로서 전체 열 시스템은 냉각 시스템 기능 외에도 열 펌프 기능을 갖는다. 이는 에어컨 및 배터리 냉각 장치가 차량에 냉기 및 열을 제공할 수 있음을 의미한다.
이 시스템은 서로 연결될 수 있는 2개의 냉각제 회로, 및 하나의 냉매 회로로 이루어진다.
에어컨 냉각제 회로는 얇은 이중선으로 표시된다. 냉매 회로는 중간 두께의 이중선으로 표시된다. 배터리 냉각 회로를 포함하는 전기 구동 트레인 냉각제 회로는 두꺼운 이중선으로 표시된다.
상이한 작동 상태를 갖는 회로에서, 작동되지 않는 라인은 얇은 단선으로 표시된다.
에어컨 냉각제 회로와 전기 구동 트레인 냉각제 회로를 하나의 큰 직렬 회로로 통합하거나 서로 완전히 분리하기 위해, 4/2 방향 냉각제 밸브(21)가 냉각제 회로를 연결하도록 제공된다.
전기 구동 트레인 냉각제 회로와 에어컨 냉각제 회로의 서브 라인들의 직렬 연결에 의해, 구동 트레인 냉각제 라디에이터(32)는 에어컨 냉각제 라디에이터(20) 및 냉매 회로의 주변 열 교환기(5)에 추가하여 응축 열을 주변 공기(33)로 방출하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 인버터(29), 변환기(30), 전기 모터 열교환기(31)와 같은 전기 구동 트레인 컴포넌트들은 정지 상태에서 냉각 시스템으로부터의 특정량의 폐열을 저장하기 위해 열 저장기로서 사용될 수 있다. 이러한 중간 저장된 열은 나중에 주행 작동 중에 냉각제 회로가 완전히 분리되면 주변으로 방출될 수 있다.
가열 모드에서, 열 펌프 작동 동안, 상기 전기 구동 트레인 컴포넌트로부터의 중간 저장된 열 또는 폐열은 냉매의 기화를 위한 열원으로서 사용될 수 있고, 따라서 이 열은 가열 시스템에 접근 가능하게 된다. 이로 인해, 에어컨 및 배터리 냉각 장치의 전체 열 시스템은 매우 효율적인 방식으로 높은 냉각 및 가열 능력을 제공할 수 있다.
냉매 회로는 압축기(2) 및 응축기(3)로 이루어지고, 냉매 가열 열교환기(19)는 3/2 방향 밸브(18.2)를 통해 상기 응축기(3)에 대해 병렬로 연결된다. 응축기(3) 하류의 체크 밸브(15)는 냉매가 응축기(3)를 통해 흐르지 않는 경우 응축기(3) 내로 냉매의 이동을 방지한다.
팽창 요소(4)는 동시에 3/2 방향 밸브이고, 주변 열교환기(5)로의 그리고 대안으로서 직접 증발기(10, 11)로의 분기점이다. 냉매는 체크 밸브(15)를 통해 주변 열교환기(5)로부터 병렬로 연결된 증발기(10, 11)로 그리고 관련 팽창 요소(6, 7, 8, 9)를 가진 병렬로 연결된 칠러(12, 14)로 복귀한다. 팽창 요소(9)는 동시에 3/2 방향 밸브이고, 칠러(12, 14) 및 증발기(10, 11)로의 냉매의 바이패스를 허용한다. 냉매는 저압 수집기(13)를 통해 압축기(2)로 흐르고, 회로는 폐쇄된다.
제1 칠러(12)는 냉각제 펌프(22), 가열 장치(23), 3/2 방향 밸브(24), 배터리 냉각기(25) 및 차단 밸브(26)를 구비한 배터리 냉각제 라인을 형성한다. 배터리 냉각기(25)에 대한 바이패스는 3/2 방향 밸브(24)를 통해 스위칭될 수 있다. 배터리 냉각제 라인은 3/2 방향 밸브(34)를 통해 전기 구동 냉각제 라인에 연결된다. 체크 밸브(15)는 전기 모터 열 교환기(31) 하류의 전기 구동 트레인 냉각제 회로로부터 배터리 냉각제 라인 내로의 냉각제의 유동을 방지한다.
제2 칠러(14)는 팽창 요소(6)를 갖는 제1 칠러(12)에 대한 냉매 회로의 평행 라인 내에 도시되어 있다. 전기 구동 트레인 내의 냉각제 측에서, 칠러(14)는 3/2 방향 밸브(27)를 통해, 전기 모터 열교환기(31)라고도 하는 프론트 및 리어 구동부 열교환기용 평행한 냉각제 라인들을 병합하는 역할을 하고 및 상응하는 분기점(도시되지 않음)을 형성한다. 각각의 전기 구동 냉각제 라인 내에는 냉각제 펌프(28)가 배치된다.
차량 객실을 가열하기 위해, 냉매 가열 열교환기(19) 그리고 리어 증발기(11)에는 추가 가열 장치(36)가 제공된다.
냉각제 4/2 방향 밸브(21)는 4개의 냉각제 연결부를 포함한다. 하나의 연결부는 전기 구동 트레인 냉각제 회로에 연결된다. 하나의 연결부는 구동 트레인 냉각제 라디에이터(32)의 입력부에 연결된다. 다른 연결부는 에어컨 냉각제 라디에이터(20)의 출력부에 연결되고, 마지막 연결부는 응축기(3)의 입력부에 연결된다.
또한, 추가 냉각제 3/2 방향 밸브(18.1)는 유동 방향으로 볼 때 구동 트레인 냉각제 라디에이터(32) 하류에 배치된다. 냉각제 라인은 3/2 방향 밸브(18.1)로부터 응축기(3)의 입력부로 연장될 수 있다.
4/2 방향 밸브(21) 및 냉각제 3/2 방향 밸브(18.1)의 이러한 배치에 의해, 차량의 정지 상태에서 트랙션 배터리의 급속 충전 기능, 그에 따라 필요한 냉각 용량이 높으며 동시에 히트 싱트로서 공기 질량 흐름이 거의 없는 경우, 열교환기를 통한 공기 측 유동이 최적화될 수 있고, 구동 트레인으로부터 열이 제거되는 것이 방지될 수 있다.
냉각 회로에서, 팽창 요소(6) 및 체크 밸브(16)를 포함하는 추가의 병렬 연결된 칠러(14)가 제공된다. 추가 칠러(14)는 구동 트레인이 가열의 경우 추가 칠러(14)를 통해 열원으로서의 트랙션 배터리와는 별도로 사용될 수 있도록 배치 및 연결됨으로써, 특히 냉각제 측에서 온도 레벨이 서로 더 이상 구속되지 않는다.
냉매 가열 열교환기(19)는 통상의 냉각제-공기 열교환기 대신에, 내부 응축기로서 제공된다.
내부 응축기와 수냉식 응축기(3)를 통한 유동을 구별할 수 있도록 냉매 3/2 방향 밸브(18.2)가 냉매 회로 내에 삽입된다.
이러한 변경에 의해, 열이 냉매로부터 차량 객실에 유입되는 공기로 직접 전달될 수 있다.
도 2에 따른 에어컨 및 배터리 냉각 장치(1)는 후술하는 특징들과 관련해서만 도 1에 도시된 에어컨 및 배터리 냉각 장치(1)와 상이하다. 2개의 냉각제 3/2 방향 밸브가 냉각제 배터리 회로 내에 배치된다. 3/2 방향 밸브(24)는 배터리 냉각기(25)와 가열 장치(23), 전기 냉각제 히터 사이에 배치된다. 제2 3/2 방향 밸브(37)는 배터리 펌프라고도 하는 냉각제 펌프(22) 상류에 배치된다.
또한, 2개의 3/2 방향 밸브(37, 24)를 서로 연결하는 추가 냉각제 라인이 제공된다. 이러한 변경에 의해, 가열의 경우, 배터리로부터 열이 제거될 필요가 없으면, 배터리 냉각 회로가 전기 구동 트레인 냉각 회로로부터 완전히 분리될 수 있으며, 동시에 전기 구동 트레인으로부터 열이 칠러(12)에 의해 제거될 수 있는 한편, 배터리 회로로부터의 열은 제거되지 않는다. 별도의 배터리 냉각제 회로는 전기 구동 트레인 냉각제 회로와의 연결 없이 스위칭 가능하며, 따라서 트랙션 배터리 냉각기를 통한 냉각제의 연속 유동은 냉각제 펌프(22), 가열 장치(23), 3/2 방향 밸브(24) 및 배터리 냉각기(25)를 통해 다시 3/2 방향 밸브(37)로 이어지고, 여기서 회로가 폐쇄된다.
도 1에 따른 에어컨 및 배터리 냉각 장치(1)와의 추가 차이점은 전기 구동 트레인 냉각제 회로 및 냉매 회로가 제2 칠러를 포함하지 않는 것이다. 도 2에 따른 회로 구성에 따르면, 칠러(12)만이 냉매 회로와 배터리 냉각제 라인 및 전기 구동 냉각제 라인을 연결하기 위해 제공된다.
냉매 회로는 추가 칠러에 대한 평행 라인 없이, 도 1에 따른 냉매 회로와 동일하다. 에어컨 냉각제 회로도 동일하게 설계된다. 응축기(3)는 냉각제 측에 통합되고 냉각제 펌프(17)를 통해 에어컨 냉각제 라디에이터(20)에 연결된다. 에어컨 냉각제 라디에이터(20)의 출력부는 4/2 방향 밸브(21)에 연결되며, 상기 4/2 방향 밸브(21)는 노드점을 통해 응축기(3)의 냉각제 입력부에 유체 연결된다. 에어컨 냉각제 회로에서, 응축기 입력부로부터 냉각제 3/2 방향 밸브(18.1)로의 라인이 제공되며, 상기 냉각제 3/2 방향 밸브(18.1)는 구동 트레인 냉각제 라디에이터(32)의 출력부 상의 에어컨 냉각제 회로를 전기 구동 트레인 냉각제 회로에 연결한다.
냉매 회로에서, 냉매 가열 열교환기(19)와 응축기(3)는 분배기로서의 냉매 3/2 방향 밸브(18.2)를 통해 병렬로 연결된다. 냉매 회로에서, 평행 라인의 병합 후에 3/2 방향 밸브의 기능을 가진 팽창 요소(4)가 뒤따른다. 상기 팽창 요소는 한편으로는 주변 열 교환기(5)에 연결되고, 다른 한편으로는 차량 객실을 냉각시키기 위한 증발기(10, 11)의 공급을 위한 냉매 라인에 연결된다. 증발기(10, 11)의 공기 측에는 추가 가열 장치(36)가 제공되며, 이 추가 가열 장치(36)를 통해 차량 객실이 가열의 경우 추가로 가열 가능하게, 바람직하게는 전기로 가열 가능하게 설치된다. 추가 가열 장치로서, 바람직하게는 PTC 가열 요소가 사용된다.
칠러(12)는 증발기(10, 11)와 병렬로 배치되고, 3/2 방향 밸브 기능을 갖는 팽창 요소(9)를 통해 냉매 회로 내에 통합된다. 팽창 요소(9)에서 바이패스 라인은 평행 라인을 연결하기 위한 노드점을 통해 저압 수집기(13)를 향해 그리고 거기서부터 압축기(2)를 향해 제공된다. 전기 구동 트레인 냉각제 회로는 4/2 방향 밸브(21)로부터 구동 트레인 냉각제 라디에이터(32)에 연결되고, 이어서 3/2 방향 밸브(18.1) 및 3/2 방향 밸브(34)에 연결된다. 여기서, 배터리 냉각제 라인 및 칠러(12)로의 분할이 이루어진다. 3/2 방향 밸브(34)의 나머지 연결부는 전기 구동 냉각제 라인에 연결되고, 상기 전기 구동 냉각제 라인은 프론트 및 리어 전기 모터 열교환기(31) 및 상류에 연결된 변환기(30) 및 인버터(29) 그리고 냉각제 펌프(28)에 대한 평행 라인을 포함한다. 또한, 전기 구동 냉각제 라인의 열교환기(29, 30, 31 및 35, 30, 31)에 대한 바이패스(38)가 연결되며, 상기 바이패스(38)는 차단 밸브(26)를 통해 접속될 수 있다. 이 추가 바이패스 가능성에 의해, 라디에이터(20, 5, 32)로부터 분리된, 직접적인 전기 구동 냉각제 라인의 열교환기를 통해서만 회로가 별도로 스위칭될 수 있다. 이는 예컨대 라디에이터(20, 5, 32)의 냉각 용량이 다른 냉각 과제에 대해 우선 순위가 되는 작동 상태에서 바람직하다.
도 3 내지 도 8에 대한 다음의 설명은 특정 기본 과제 설정 시에 시스템이 작동될 수 있는, 도 2에 따른 에어컨 및 배터리 냉각 장치(1)의 필수 작동 모드를 설명한다. 물론, 특정 구성에서 설명된 모드의 조합도 가능하다. 개별 모드 내에서 유체가 흐르는 유체 연결은 이중선으로 표시된다. 단선들은 해당 모드에서 유체가 흐르지 않는다.
도 3은 비교적 높은 주변 온도, 예컨대 25℃ 내지 45℃에서 배터리를 급속 충전하는 동안 도 2에 따른 에어컨 및 배터리 냉각 장치(1)의 흐름 회로도를 도시한다. 배터리의 급속 충전 동안, 배터리의 과열 및 그에 따른 손상을 피하기 위해 큰 냉각 용량이 요구된다. 이러한 이유로, 냉매 회로에서, 관련 팽창 요소(9)를 갖는 칠러(12)가 주로 작동된다. 필요한 경우, 차량 객실을 냉각시키기 위해 증발기(10, 11)를 위한 냉매가 추가로 제공된다. 압축기(2)에서 냉매 증기를 압축한 후에, 냉매 3/2 방향 밸브(18.2)가 응축기(3) 방향으로 스위칭된다. 응축기(3)는 에어컨 냉각제 회로의 냉각제 측에서 에어컨 냉각제 라디에이터(20) 내의 응축 폐열을 주변 공기(33)로 방출한 후, 냉각제는 4/2 방향 밸브(21)를 통해 직렬 연결된 구동 트레인 냉각제 라디에이터(32) 내로 안내되고 냉각제는 다시 주변 공기(33)로 열을 방출한다. 이어서, 냉각된 냉각제는 냉각제 3/2 방향 밸브(18.1)를 통해 다시 응축기(3)의 냉각제 측 입력부로 흐른다. 냉각제 회로는 냉각제 펌프(17)에 의해 구동된다.
응축기(3)에서 냉각된 냉매는 팽창 요소(4)를 통해 주변 열교환기(5)로 흐르고, 여기서 냉매는 계속해서 주변 공기(33)로 열을 방출하고 응축되거나 과냉각된다. 그 후, 냉매는 체크 밸브(15)를 통해, 관련 팽창 요소(7)를 갖는 프론트 증발기(10), 관련 팽창 요소(8)를 갖는 리어 증발기(11), 및 관련 팽창 요소(9)를 갖는 칠러(12)를 위한 개별의 평행한 냉매 라인으로 흐르고, 여기서 요구 사항 및 제어에 따라, 열을 흡수하면서 냉매가 증발된다.
칠러(12)는 냉각제 측에서, 냉각제 펌프(22)에 의해 구동되는 배터리 냉각제 회로 내에 통합된다. 냉각제는 상기 구성에서 가열되지 않은, 가열 장치(23)의 열교환기를 통해, 그리고 3/2 방향 밸브(24)를 통해 배터리 냉각기(25) 내로 흐르며, 여기서 급속 방전의 폐열은 냉각제 흐름에 의해 흡수된다. 개방된 차단 밸브(26)를 통해, 칠러(12)를 향한 배터리 냉각제 흐름의 회로가 닫히고 회로는 폐쇄된다. 3/2 방향 밸브(37)는 도 3에 따른 상기 회로 위치에서 칠러(12)로부터 냉각제 펌프(22)로의 연결을 스위칭한다.
이 구성에서, 전기 구동 트레인은 냉각되지 않고 작은 폐쇄 회로로서 바이패스(38)를 통해 순환한다. 냉각제 펌프(28)는 열교환기(29, 30, 31 및 35, 30, 31)를 통해 냉각제 흐름을 구동하고, 개방된 차단 밸브(26)를 통해 바이패스(38)를 통한 회로가 형성된다. 병렬 전기 구동 트레인 냉각제 라인들은 냉각제의 순환을 위해 스위칭되는 2개의 3/2 방향 밸브(34, 27)에 의해 단부 측에서 제한된다. 4/2 방향 밸브(21) 및 3/2 방향 밸브(18.1)로의 2개의 3/2 방향 밸브(34, 27)의 외부 라인들은 각각 차단된다.
이 모드에서, 3개의 라디에이터(5, 20, 32), 즉 공기 열교환기는 배터리 및 차량 객실을 냉각하기 위한 폐열 싱크로서 사용되며, 에어컨 냉각제 라디에이터(20)와 구동 트레인 냉각제 라디에이터(32)는 직렬로 연결된다.
도 4는 고속으로 인해 구동 트레인의 부하가 높고 동시에 고온에서 차량 객실을 냉각시키기 위한 냉각 용량 요구량이 높은 경우, 도 2에 따른 에어컨 및 배터리 냉각 장치(1)의 흐름 회로도를 도시한다.
전기 구동 트레인 냉각제 회로는 3/2 방향 밸브(34)를 통해 스위칭되고 냉각제 펌프(28)는 열교환기(29, 30, 31, 35)를 통해 냉각제를 전달한다. 프론트 및 리어 열교환기용 2개의 병렬 냉각제 라인은 3/2 방향 밸브(27)에 병합된 다음, 4/2 방향 냉각제 밸브(21)를 통해 구동 트레인 냉각제 라디에이터(32)로 안내된다. 거기서, 구동 트레인으로부터의 폐열은 주변 공기(33)로 전달되고 냉각된 냉각제는 3/2 방향 밸브(18.1)를 통해 3/2 방향 밸브(34)로 전달되고, 여기서 전기 구동 트레인 냉각제 회로는 이 작동 모드에서 폐쇄된다. 따라서, 전기 구동 트레인은 구동 트레인 냉각제 라디에이터(32)를 통해서만 수동적으로 냉각되며 차량의 냉매 회로에 연결되지 않는다.
차량의 냉매 회로는 차량 객실을 냉각시키기 위한 증발기(10, 11) 외에, 배터리 냉각을 실현하는 칠러(12)에도 공급한다.
배터리 냉각 회로는 배터리 냉각기(25)로부터 개방된 차단 밸브(26)를 통해 칠러(12)로 그리고 거기로부터 3/2 방향 밸브(37), 냉각제 펌프(22)를 통해 비기능적 가열 장치(23) 및 3/2 방향 밸브(24)에 의해 최종적으로 배터리 냉각기(25)로 연결된다.
따라서, 배터리 냉각 회로는 이 작동 모드에서 전기 구동 트레인 냉각제 회로로부터 분리된다.
냉매 회로는 압축기(2) 하류에서 3/2 방향 밸브(18.2)를 통해 응축기(3)로 그리고 체크 밸브(15) 및 팽창 요소(4)를 통해 주변 열교환기(5)로 연결된다. 이 작동 모드에서, 냉각제 측에서 에어컨 냉각제 회로는 에어컨 냉각제 라디에이터(20)를 통해, 냉매 회로로부터 응축 열을 방출하기 위해 사용되고, 또한 응축 열은 냉매 회로의 주변 열교환기(5)를 통해 주변 공기(33)로 방출된다.
도 4에 따른 작동 모드에서, 배터리 냉각 및 차량 객실 냉각은 냉매 회로를 통해 능동적으로 작동되는 반면, 전기 구동 트레인 냉각은 구동 트레인 냉각제 라디에이터(32)를 통해서만 수동적으로 구현된다.
도 5는 높은 차량 속도로 인해 전기 구동 트레인 냉각제 회로의 부하가 높은 경우 그리고 10℃ 내지 20℃의 적당한 온도에서 수동 배터리 냉각의 경우 도 2에 따른 에어컨 및 배터리 냉각 장치(1)의 흐름 회로도를 도시한다.
배터리 냉각 및 전기 구동 트레인 냉각은 전기 구동 트레인 냉각제 회로를 통해 수동적으로 이루어지고, 전기 구동 트레인 냉각제 회로는 배터리와 구동부를 냉각시키기 위한 라인들을 병렬로 안내한 다음 4/2 방향 밸브(21) 및 비기능적 응축기(3)를 통해 통합하고, 냉각제 펌프(17)에 의해 지원되어 먼저 에어컨 냉각제 라디에이터(20)로 연장되고, 여기서 폐열의 제1 부분이 주변 공기(33)로 방출된다. 후속해서, 냉각제 흐름은 4/2 방향 밸브(21)를 통해 구동 트레인 냉각제 라디에이터(32)로 흐르며, 여기서 폐열의 제2 부분이 주변 공기(33)로 방출된다. 전기 구동 트레인 냉각제 회로는 3/2 방향 밸브(18.1)를 통해 3/2 방향 밸브(34)에 대해 폐쇄되며, 여기서 냉각제 흐름은 배터리 냉각 라인 또는 전기 구동 라인으로 분배된다.
이 모드에서, 차량 객실은 냉매 회로로부터 증발기(10, 11)를 통해 통상적인 방식으로 공기 조절되며, 이러한 적당한 주변 온도에서 요구될 수 있는 열은 내부 응축기로서 냉매 가열 열교환기(19)를 통해 차량 객실로 방출될 수 있거나 또는 열은 주변 열교환기(5)에 대한 3/2 방향 기능을 갖는 팽창 요소(4)를 통해 주변 공기(33)로 방출된다.
도 6은 아직 작동 온도가 아닌 차가운 컴포넌트들 및 낮은 주변 온도에서 차량 객실 가열의 흐름 회로도를 도시한다.
낮은 주변 온도에서, 냉매 회로 내의 증발기(10, 11)에는 냉매가 공급되지 않고 칠러(12)만이 냉매 회로에서 열을 흡수하도록 스위칭된다. 냉매 회로는 통상적인 방식으로 압축기(2)를 통해 3/2 방향 밸브(18.2)로 그리고 냉매 가열 열교환기(19)로 작동하며, 여기서 응축 열은 차량 객실로 방출된다. 끝으로, 나머지 응축 열은 주변 열교환기(5)에서 조합형 팽창 3/2 방향 밸브(4)를 통해 방출되고 상기 회로는 칠러(12)에 대해 폐쇄된다.
칠러(12)는 냉각제 측에서 전기 구동 트레인으로부터 열을 얻는다. 냉각제는 전기 구동 트레인으로부터 3/2 방향 밸브(27) 및 개방된 차단 밸브(26)를 통해 칠러(12)로 흐르고 이어서 냉각제는 3/2 방향 밸브(34)를 통해 병렬 전기 구동 트레인 냉각기(29, 30, 31, 35)로 흐른다. 냉각제는 각각 냉각제 펌프(28)에 의해 이동된다.
이 모드에서, 배터리는 냉각되지 않고, 수동 및/또는 능동적으로 작동 온도로 가열된다. 이는 냉각제 펌프(22)에 의해 가열 장치(23)를 통해 스위칭되는 별도의 회로에서 이루어지고, 상기 가열 장치는 선택적으로 추가의 열을 냉각제 흐름으로 방출한다. 냉각제 흐름은 3/2 방향 밸브(24)를 통해 배터리 냉각기(25)로 이송되지만, 상기 배터리 냉각기(25)는 이 작동 모드에서 배터리를 가열한다. 냉각제는 바이패스를 통해 역류하며, 상기 3/2 방향 밸브(37)는 냉각제가 이 작은 회로에서 순환하도록 스위칭된다. 차단 밸브(26)는 배터리 냉각 회로를 전기 구동 트레인 냉각 회로에 대해 제한하거나 또는 이를 차단한다.
도 7은 사전 조정된 배터리에서 가열 모드 동안 도 2에 따른 에어컨 및 배터리 냉각 장치(1)의 흐름 회로도를 도시한다. 냉매 회로는 이 모드에서 차량 객실을 가열하기 위해 작동된다. 따라서, 고온 냉매 가스가 압축기(2)로부터 3/2 방향 밸브(18.2)를 통해 나와서 내부 응축기로서 냉매 가열 열교환기(19) 내에서 완전히 응축되고, 필요하다면 과냉각되며 응축 열은 가열을 위해 차량 객실로 방출된다. 그리고 나서, 응축된 냉매는 팽창 요소(4) 및 팽창 요소(9)를 통해 열 흡수를 위해 칠러(12)에 도달한 후, 냉매 가스가 저압 수집기(13)에 그리고 그 다음에 압축기(2)에 공급된다.
칠러(12) 내의 냉매를 증발시키기 위한 열은 냉각제 측에서 배터리 냉각기(25)로부터 나오며, 상기 배터리 냉각기(25)는 배터리 냉각 회로에서 개방된 차단 밸브(26), 칠러(12) 및 3/2 방향 밸브(37) 및 냉각제 펌프(22)를 통해 배터리 냉각기(25)로 통합된다.
전기 구동 트레인은 이 모드에서, 도 3에 따른 모드에서와 유사하게, 짧은 회로로 구동된 후, 바이패스(38)는 차단 밸브(26)의 개방시 스위칭되고, 냉각제 펌프(28)는 냉각제를 프론트 및 리어 구동 트레인에 대한 열교환기(29, 30, 31) 및 병렬로 열교환기(35, 30, 31)를 통해 이송한다.
도 8은 차량 객실의 특히 집중 가열을 위한 소위 부스트 모드에서 도 2에 따른 에어컨 및 배터리 냉각 장치(1)의 흐름 회로도를 도시한다.
차량 객실의 집중 가열을 위해, 배터리 냉각제 회로에서 추가 가열 장치(23)가 활성화되고, 배터리 냉각기(25)는 3/2 방향 밸브(24)를 통해 바이패스된다. 냉각제는 개방 위치의 차단 밸브(26)를 통해 칠러(12)에 공급되고, 그 후에 상기 회로가 3/2 방향 밸브(37)를 통해 냉각제 펌프(22)에 대해 그리고 가열 장치(23)에 대해 다시 폐쇄된다.
배터리 냉각제 회로의 열은 칠러(12) 내에서 냉매 측에서 냉매에 의해 흡수되고 압축기(2) 하류에서 냉매 가열 열교환기(19) 내에서 차량 객실로 방출된다. 3/2 방향 밸브(18.2)의 적절한 스위칭에 의해, 응축기(3)가 아닌 냉매 가열 열교환기(19)에만 고온 냉매 증기가 제공되어, 모든 응축 열이 차량 객실로 방출될 수 있다. 이어서, 액상 냉매는 3/2 방향 밸브 및 팽창 요소(4) 그리고 팽창 요소(9)를 통해 다시 칠러(12)에 공급되고, 여기서 냉매가 가열 장치(23)의 열을 흡수하면서 증발하고 냉매 회로는 저압 수집기(13) 및 압축기(2)에 대해 폐쇄된다. 전기 구동 트레인 냉각제 회로는 도 7 및 도 3에 도시되며 설명된 모드와 유사하게, 짧게 스위칭된다.
1: 에어컨 및 배터리 냉각 장치 2: 압축기
3: 응축기 4: 팽창 요소
5: 주변 열교환기 6: 팽창 요소
7: 팽창 요소 8: 팽창 요소
9: 팽창 요소 10: 프론트 증발기
11: 리어 증발기 12: 칠러
13: 저압 수집기 14: 추가 칠러
15: 체크 밸브 16: 체크 밸브
17: 냉각제 펌프 18.1: 냉각제 3/2 방향 밸브
18.2: 냉매 3/2 방향 밸브 19: 냉매 가열 열교환기/내부 응축기
20: 에어컨 냉각제 라디에이터 21: 4/2 방향 냉각제 밸브
22: 냉각제 펌프 23: 가열 장치
24: 3/2 방향 밸브 25: 배터리 냉각기
26: 차단 밸브 27: 3/2 방향 밸브
28: 냉각제 펌프 29: 인버터
30: 변환기 31: 전기 모터 열교환기
32: 구동 트레인 냉각제 라디에이터 33: 주변 공기
34: 3/2 방향 밸브 35: 충전기
36: 추가 가열 장치 37: 3/2 방향 밸브
38: 바이패스

Claims (17)

  1. 에어컨 냉각제 회로, 전기 구동 트레인 냉각제 회로 및 냉매 회로를 구비한 에어컨 및 배터리 냉각 장치(1)로서,
    - 상기 에어컨 냉각제 회로 및 상기 전기 구동 트레인 냉각제 회로는 4/2 방향 냉각제 밸브(21)를 통해 서로 연결되어, 상기 에어컨 냉각제 회로 및 상기 전기 구동 트레인 냉각제 회로가 별도로 작동될 수 있거나 또는 직렬로 유동 가능하게 설계되고,
    - 상기 에어컨 냉각제 회로는 주변 공기(33)로 열 방출을 위한 적어도 하나의 에어컨 냉각제 라디에이터(20), 냉각제 펌프(17) 및 응축기(3)를 포함하며, 상기 응축기(3)를 통해 상기 에어컨 냉각제 회로가 상기 냉매 회로와 열적으로 연결되고,
    - 상기 전기 구동 트레인 냉각제 회로가 적어도 하나의 배터리 냉각기(25), 냉매 펌프(22), 상기 주변 공기(33)로 열 방출을 위한 구동 트레인 냉각제 라디에이터(32) 및 칠러(12)를 포함하며, 상기 칠러(12)를 통해 상기 전기 구동 트레인 냉각제 회로가 상기 냉매 회로와 열적으로 연결되고,
    - 상기 냉매 회로는 적어도 하나의 압축기(2), 상기 응축기(3), 상기 주변 공기(33)로 열 방출을 위한 또는 상기 주변 공기(33)로부터 열 흡수를 위한 주변 열교환기(5), 팽창 요소(9) 및 상기 칠러(12)를 포함하며,
    - 상기 4/2 방향 냉각제 밸브(21)는 상기 에어컨 냉각제 라디에이터(20)의 출력부를 상기 구동 트레인 냉각제 라디에이터(32)의 입력부에 연결하고, 3/2 방향 밸브(18.1)는 상기 에어컨 냉각제 회로와의 연결부를 가진 상기 구동 트레인 냉각제 라디에이터(32)의 출력부 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 에어컨 및 배터리 냉각 장치(1).
  2. 제1항에 있어서, 상기 냉매 회로는 차량 객실의 가열을 위한 내부 응축기로서 냉매 가열 열교환기(19)를 포함하고, 상기 냉매 가열 열교환기(19)는 상기 응축기(3)와 병렬로 배치되는 것을 특징으로 하는 에어컨 및 배터리 냉각 장치(1).
  3. 제2항에 있어서, 상기 전기 구동 트레인 냉각제 회로는 상기 배터리 냉각기(25) 상류에 직렬 연결된 가열 장치(23)를 포함하고, 상기 배터리 냉각기(25)에 대한 바이패스가 형성되는 것을 특징으로 하는 에어컨 및 배터리 냉각 장치(1).
  4. 제3항에 있어서, 상기 전기 구동 트레인 냉각제 회로 내에 냉각제 펌프(28) 또는 인버터(29) 또는 전기 모터 열교환기(31)가 상기 배터리 냉각기(25)와 병렬로 유동 가능하게 설계되는 것을 특징으로 하는 에어컨 및 배터리 냉각 장치(1).
  5. 제1항에 있어서, 상기 냉매 회로 내에서 팽창 요소(4)는 상기 응축기(3) 하류에 그리고 상기 주변 열교환기(5) 상류에 배치되는 것을 특징으로 하는 에어컨 및 배터리 냉각 장치(1).
  6. 제1항에 있어서, 상기 냉매 회로 내에서, 상류에 연결된 관련 팽창 요소(7)를 구비한 프론트 증발기(10) 및 상류에 연결된 관련 팽창 요소(8)를 구비한 리어 증발기(11)가 병렬로 연결되어 배치되는 것을 특징으로 하는 에어컨 및 배터리 냉각 장치(1).
  7. 제6항에 있어서, 상기 냉매 회로는 차량 객실의 가열을 위한 내부 응축기로서 냉매 가열 열교환기(19)를 포함하고, 상기 리어 증발기(11) 상에 또는 상기 냉매 가열 열교환기(19) 상에 추가 가열 장치(36)가 배치되는 것을 특징으로 하는 에어컨 및 배터리 냉각 장치(1).
  8. 제1항에 있어서, 상기 전기 구동 트레인 냉각제 회로 내에, 프론트 및 리어 구동부를 냉각시키기 위한 2개의 평행 라인이 형성되는 것을 특징으로 하는 에어컨 및 배터리 냉각 장치(1).
  9. 제4항에 있어서, 상기 전기 구동 트레인 냉각제 회로 내에 상기 인버터(29) 또는 상기 전기 모터 열교환기(31)에 대한 바이패스(38)가 형성되는 것을 특징으로 하는 에어컨 및 배터리 냉각 장치(1).
  10. 제9항에 있어서, 상기 냉매 회로 내에서, 상류에 연결된 관련 팽창 요소(7)를 구비한 프론트 증발기(10) 및 상류에 연결된 관련 팽창 요소(8)를 구비한 리어 증발기(11)가 병렬로 연결되어 배치되는 것을 특징으로 하는 에어컨 및 배터리 냉각 장치(1).
  11. 제10항에 따른 에어컨 및 배터리 냉각 장치(1)의 작동 방법에 있어서,
    배터리 급속 충전을 위해 냉각 용량 요구량이 큰 경우, 냉매 회로 내의 칠러(12)가 작동되고, 상기 냉매 회로로부터 나온 응축 열이 부분적으로 응축기(3)를 통해 에어컨 냉각제 회로로 전달되며 부분적으로 주변 열교환기(5)를 통해 주변 공기(33)로 전달되고, 직렬 연결된 에어컨 냉각제 라디에이터(20), 4/2 방향 냉각제 밸브(21) 그리고 구동 트레인 냉각제 라디에이터(32) 및 3/2 방향 밸브(18.1) 그리고 냉각제 측 응축기(3)로 이루어진 냉각제 회로가 스위칭되며 응축 열은 상기 주변 공기(33)로 방출되고, 상기 에어컨 냉각제 라디에이터(20) 및 상기 구동 트레인 냉각제 라디에이터(32)는 상기 4/2 방향 냉각제 밸브(21)를 통해 직렬로 연결되고, 배터리 냉각기(25)는 상기 냉매 회로의 상기 칠러(12)와 함께 별도의 냉각제 회로를 형성하며, 전기 구동 트레인의 열 교환기로서 상기 인버터(29) 또는 상기 전기 모터 열교환기(31)를 가진 전기 구동 트레인 냉각제 회로가 상기 회로 내의 바이패스(38)를 통해 스위칭되는 것을 특징으로 하는 작동 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 냉매 회로 내에서 상기 칠러(12)와 더불어 프론트 증발기(10) 또는 리어 증발기(11)가 차량 객실의 에어컨디셔닝을 위한 냉각 발생을 위해 추가로 작동되는 것을 특징으로 하는 작동 방법.
  13. 제6항, 제7항 및 제10항 중 어느 한 항에 따른 에어컨 및 배터리 냉각 장치(1)의 작동 방법에 있어서, 전기 구동 트레인의 냉각 및 차량 객실의 에어컨디셔닝을 위해 냉각 용량 요구량이 큰 경우, 배터리 냉각을 위해 냉매 회로 내의 칠러(12) 및 프론트 증발기(10) 또는 리어 증발기(11)가 작동되고, 상기 냉매 회로로부터의 응축 열은 주변 열교환기(5)를 통해 주변 공기(33)로 그리고 응축기(3)를 통해 에어컨 냉각제 회로로 그리고 에어컨 냉각제 라디에이터(20)를 통해 상기 주변 공기(33)로 방출되고, 구동 트레인 냉각제 라디에이터(32)는 상기 전기 구동 트레인 냉각제 회로로부터의 폐열을 상기 주변 공기(33)로 방출하고, 배터리 냉각기(25)는 상기 냉매 회로의 상기 칠러(12)와 함께 별도의 냉각제 회로를 형성하는 것을 특징으로 하는 작동 방법.
  14. 제6항, 제7항 및 제10항 중 어느 한 항에 따른 에어컨 및 배터리 냉각 장치(1)의 작동 방법에 있어서, 차량 객실의 에어컨디셔닝, 수동 전기 구동 트레인 냉각 및 수동 배터리 냉각을 위해 냉각 용량 요구량이 중간인 경우, 냉매 회로 내의 프론트 증발기(10) 또는 리어 증발기(11)가 작동되고, 상기 냉매 회로로부터의 응축 열은 주변 열교환기(5)를 통해 주변 공기(33)로 방출되고, 전기 구동 트레인 냉각제 회로 및 구동 트레인과 병렬로 연결된 배터리 냉각기(25)로부터의 폐열은 직렬로 연결된 에어컨 냉각제 라디에이터(20) 및 구동 트레인 냉각제 라디에이터(32)를 통해 상기 주변 공기(33)로 방출되고, 상기 냉각제 회로는 3/2 방향 밸브(27)로부터 4/2 방향 밸브(21), 응축기(3) 및 에이컨 냉각제 라디에이터(20)를 통해 구동 냉각 라인 및 배터리 냉각 라인용 분기점으로서 3/2 방향 밸브(34)로 안내되는 것을 특징으로 하는 작동 방법.
  15. 제3항에 따른 에어컨 및 배터리 냉각 장치(1)의 작동 방법에 있어서, 차량 객실 가열 및 배터리 가열의 경우 및 능동 전기 구동 트레인 냉각을 위한 냉각 용량 요구량이 중간인 경우, 냉매 회로 내의 칠러(12)가 작동되고, 상기 냉매 회로로부터의 응축 열은 상기 냉매 가열 열교환기(19)로 그리고 차량 객실로 방출되며 주변 열교환기(5)를 통해 상기 주변 공기(33)로 방출되고, 가열 장치(23)를 가진 배터리 냉각기(25)가 배터리 가열을 위해 별도의 회로 내에서 스위칭되는 것을 특징으로 하는 작동 방법.
  16. 제9항 또는 제10항에 따른 에어컨 및 배터리 냉각 장치(1)의 작동 방법에 있어서, 차량 객실 가열 및 수동 전기 구동 트레인 가열 및 능동 배터리 냉각의 경우, 냉매 회로로부터의 폐열은 냉매 가열 열교환기(19)로 방출되고, 배터리 냉각기(25) 및 칠러(12)를 구비한 배터리 냉각제 회로가 스위칭되며, 전기 구동 트레인 냉각제 회로는 수동적으로 자체 가열되어 상기 회로 내의 바이패스(38)를 통해 스위칭되는 것을 특징으로 하는 작동 방법.
  17. 제9항 또는 제10항에 따른 에어컨 및 배터리 냉각 장치(1)의 작동 방법에 있어서, 집중 차량 객실 가열 및 수동 전기 구동 트레인 가열의 경우, 냉매 회로로부터의 폐열은 냉매 가열 열교환기(19)로 방출되고, 칠러(12) 및 가열 장치(23)를 구비한 배터리 냉각제 회로가 스위칭되어 가열되고, 배터리 냉각기(25)는 3/2 방향 밸브(24) 하류에서 유동되지 않고, 전기 구동 트레인 냉각제 회로는 수동적으로 자체 가열되어 상기 회로 내의 바이패스(38)를 통해 스위칭되는 것을 특징으로 하는 작동 방법.
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