KR102280621B1 - 차량용 배터리의 열관리 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차량용 배터리의 열관리 시스템에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 전기구동장치와 수냉라디에이터로 냉각수를 순환시키는 제1냉각수라인에 제2냉각수라인을 통해 배터리를 연결하고, 상기 제2냉각수라인에는 분기라인을 통해 칠러를 병렬로 설치하며, 밸브수단을 제어하여 상기 칠러와 수냉라디에이터 중 하나 또는 모두를 이용하여 상기 배터리를 냉각하도록 함으로써, 상기 수냉라디에이터와 칠러의 병렬 연결구조로 인해 상기 칠러측 유량 조절이 가능하여 칠러에 걸리는 부하를 제어할 수 있고, 이로인해 차실내 냉방을 고려한 상기 배터리 냉각이 가능함과 아울러 압축기의 소비동력을 감소시키고 차량의 주행거리를 증대할 수 있으며, 또한 상기 칠러의 미사용시에는 칠러를 바이패스 할 수 있어 불필요한 저항을 제거하여 냉각수 유량 감소를 방지하고, 상기 배터리의 냉각 성능 증대로 인해 배터리의 효율이 증대되어 차량 주행거리를 더욱 증대할 수 있는 차량용 배터리의 열관리 시스템에 관한 것이다.

Description

차량용 배터리의 열관리 시스템{Thermal management system of battery for vehicle}
본 발명은 차량용 배터리의 열관리 시스템에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 전기구동장치와 수냉라디에이터로 냉각수를 순환시키는 제1냉각수라인에 제2냉각수라인을 통해 배터리를 연결하고, 상기 제2냉각수라인에는 분기라인을 통해 칠러를 병렬로 설치하며, 밸브수단을 제어하여 상기 칠러와 수냉라디에이터 중 하나 또는 모두를 이용하여 상기 배터리를 냉각하도록 한 차량용 배터리의 열관리 시스템에 관한 것이다.
최근 자동차는 연소식 엔진을 사용하는 자동차에서 환경친화적이고, 연비를 고려한 또 다른 형태의 자동차, 즉, 하이브리드 자동차나 전기자동차의 개발이 전 세계적으로 활발히 개발되고 있는 실정이다.
하이브리드 자동차는 기존의 엔진과 전기에너지로 구동되는 모터를 연계하여 두가지의 동력원으로 차량을 구동하고, 전기자동차는 전기에너지로 구동되는 모터만으로 구동하는 만큼, 배기가스에 의한 환경오염의 저감과 함께 연비향상의 효과로 인하여 미국과 일본을 중심으로 최근 각광을 받고있는 현실대안적인 차세대 자동차로 자리매김하고 있다.
이러한 하이브리드 자동차나 전기자동차에는 고용량 배터리가 장착되어 필요시 모터로 전력을 공급하고 차량의 감속, 정지시 재생동력원으로 부터 생성되는 전기에너지를 배터리로 충전하는 역할을 하고 있다.
그러나, 이와 같은 고용량 배터리는 충전과 방전을 반복하는 동안 발열하게 되고 온도가 급격히 상승할 경우 배터리의 수명을 단축시키게 됨은 물론 배터리를 최적의 상태로 사용할 수 없기 때문에, 배터리의 최적성능을 유지하기 위해서는 배터리를 적절히 냉각하는 시스템이 필요하게 된다.
도 1은 종래 차량용 배터리 냉각 시스템의 제1방식을 나타내는 구성도이고, 도 2는 종래 차량용 배터리 냉각 시스템의 제2방식을 나타내는 구성도로써, 간략히 설명하면, 크게 차량 배터리(2)와 칠러(3)로 냉각수를 순환시키는 제1냉각수라인(A)과, 전기구동장치(11)와 수냉라디에이터(12)로 냉각수를 순환시키는 제2냉각수라인(B)과, 상기 칠러(3)로 냉매를 순환시키는 냉매순환라인(R)을 포함하여 구성된다.
또한, 상기 제1냉각수라인(A)에는 제1워터펌프(1)가 설치되고, 제2냉각수라인(B)에는 제2워터펌프(10)가 설치된다.
그리고, 상기 제1냉각수라인(A)과 제2냉각수라인(B)은 방향전환밸브(20)를 통해 연결된다.
한편, 상기 냉매순환라인(R)에는, 압축기(30), 응축기(31), 팽창밸브(32), 증발기(33)가 설치된다.
또한, 상기 냉매순환라인(R)에는 냉매가 상기 팽창밸브(32)와 증발기(33)를 바이패스하도록 냉매 병렬라인(R1)이 설치되며, 상기 냉매 병렬라인(R1)에 상기 칠러(3)가 연결 설치된다.
이때, 상기 칠러(3)의 입구측 냉매 병렬라인(R1)에는 보조 팽창밸브(32a)가 설치된다.
상기 칠러(3)는 상기 보조 팽창밸브(32a)를 통과한 저온 냉매와 상기 제1냉각수라인(A)을 순환하는 냉각수를 열교환하여 냉각시키게 된다.
따라서, 도 1과 같은 제1방식의 경우에는, 상기 방향전환밸브(20)의 제어를 통해 제1냉각수라인(A)과 제2냉각수라인(B)이 각각 독립적인 라인을 구성하게 되어,
상기 제1냉각수라인(A)에서는 제1워터펌프(1)에 의해 순환하는 냉각수가 상기 칠러(3)에서 냉매와의 열교환에 의해 냉각된 후 상기 배터리(2)로 순환하여 배터리(2)를 냉각시키게 되고,
상기 제2냉각순환라인(B)에서는 제2워터펌프(10)에 의해 순환하는 냉각수가 상기 수냉라디에이터(12)에서 공기와의 열교환에 의해 냉각된 후 상기 전기구동장치(11)로 순환하여 전기구동장치(11)를 냉각시키게 된다.
그리고, 도 2와 같은 제2방식의 경우에는, 상기 방향전환밸브(20)의 제어를 통해 상기 제1냉각수라인(A)과 제2냉각수라인(B)이 직렬로 연결되며, 이때 상기 제1,2워터펌프(1,10)가 모두 가동하여 상기 칠러(3)에서 냉매와 열교환 및 상기 수냉라디에이터(12)에서 공기와 열교환을 통해 냉각수를 냉각하여 상기 배터리(2)를 냉각하게 된다.
그러나, 상기 종래기술은, 상기 제2방식의 수냉라디에이터(12)와 칠러(3)로 배터리(2) 냉각시, 냉각수 모든 유량이 칠러(3)를 통과하면서 냉매와 열교환하기 때문에 배터리(2) 발열에 따라 냉매순환라인(R)을 통한 차실내 냉방이 영향을 받는 문제가 있고, 압축기(30)의 소비동력이 증가하기 때문에 배터리(2) 냉각으로 인한 차량의 주행거리가 감소하는 문제가 있다.
또한, 상기 제2방식에서 냉매순환라인(R)의 냉매가 칠러(3)를 사용하지 않는 조건에서도 냉각수는 칠러(3)를 통과하기 때문에 불필요한 저항이 되어 냉각수 유량을 감소시키는 문제가 있다.
아울러, 상기 제2방식에서 두 개의 워터펌프(1,10)를 모두 작동시켜야 냉각수가 순환하게 되고, 이는 불필요한 전력 손실로 이어져 차량 주행거리를 감소시키는 문제가 있었다.
상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 전기구동장치와 수냉라디에이터로 냉각수를 순환시키는 제1냉각수라인에 제2냉각수라인을 통해 배터리를 연결하고, 상기 제2냉각수라인에는 분기라인을 통해 칠러를 병렬로 설치하며, 밸브수단을 제어하여 상기 칠러와 수냉라디에이터 중 하나 또는 모두를 이용하여 상기 배터리를 냉각하도록 함으로써, 상기 수냉라디에이터와 칠러의 병렬 연결구조로 인해 상기 칠러측 유량 조절이 가능하여 칠러에 걸리는 부하를 제어할 수 있고, 이로인해 차실내 냉방을 고려한 상기 배터리 냉각이 가능함과 아울러 압축기의 소비동력을 감소시키고 차량의 주행거리를 증대할 수 있으며, 또한 상기 칠러의 미사용시에는 칠러를 바이패스 할 수 있어 불필요한 저항을 제거하여 냉각수 유량 감소를 방지하고, 상기 배터리의 냉각 성능 증대로 인해 배터리의 효율이 증대되어 차량 주행거리를 더욱 증대할 수 있는 차량용 배터리의 열관리 시스템을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 전기구동장치와 수냉라디에이터를 연결하여 냉각수와 상기 전기구동장치를 열교환시키는 제1냉각수라인과, 상기 제1냉각수라인에 배터리를 연결하여 냉각수와 상기 배터리를 열교환시키는 제2냉각수라인과, 상기 배터리의 출구측 제2냉각수라인에서 분기되어 칠러와 연결되며, 상기 배터리를 통과한 냉각수의 일부 또는 전부를 상기 칠러와 열교환시킨후 배터리측으로 유동시키는 분기라인과, 상기 제1,2냉각수라인에 설치되어 상기 제1,2냉각수라인과 분기라인의 냉각수 흐름을 제어하는 밸브수단을 포함하며, 상기 밸브수단을 제어하여 상기 칠러와 수냉라디에이터 중 하나 또는 모두를 이용하여 상기 배터리를 냉각하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 전기구동장치와 수냉라디에이터로 냉각수를 순환시키는 제1냉각수라인에 제2냉각수라인을 통해 배터리를 연결하고, 상기 제2냉각수라인에는 분기라인을 통해 칠러를 병렬로 설치하며, 밸브수단을 제어하여 상기 칠러와 수냉라디에이터 중 하나 또는 모두를 이용하여 상기 배터리를 냉각하도록 함으로써, 상기 수냉라디에이터와 칠러의 병렬 연결구조로 인해 상기 칠러측 유량 조절이 가능하여 칠러에 걸리는 부하를 제어할 수 있고, 이로인해 차실내 냉방을 고려한 상기 배터리 냉각이 가능함과 아울러 압축기의 소비동력을 감소시키고 차량의 주행거리를 증대할 수 있다.
또한, 상기 칠러의 미사용시에는 칠러를 바이패스 할 수 있어 불필요한 저항을 제거하여 냉각수 유량 감소를 방지하고, 상기 배터리의 냉각 성능 증대로 인해 배터리의 효율이 증대되어 차량 주행거리를 더욱 증대할 수 있다.
그리고, 상기 칠러의 미사용시에는 제1냉각수라인의 제1워터펌프만으로 냉각수 순환이 가능하므로 불필요한 전력 손실을 막아 차량 주행거리를 더욱 증대할 수 있다.
또한, 상기 수냉라디에이터 및 칠러와, 가열수단을 이용하여 상기 배터리의 냉각 뿐만 아니라 가열까지 수행함으로써, 상기 배터리의 온도를 최적으로 유지하여 배터리의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래 차량용 배터리 냉각 시스템의 제1방식을 나타내는 구성도,
도 2는 종래 차량용 배터리 냉각 시스템의 제2방식을 나타내는 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 차량용 배터리의 열관리 시스템을 나타내는 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 차량용 배터리의 열관리 시스템의 제1방식(제1온도조건시)을 나타내는 구성도,
도 5는 본 발명에 따른 차량용 배터리의 열관리 시스템의 제2방식(제2온도조건시)을 나타내는 구성도,
도 6은 본 발명에 따른 차량용 배터리의 열관리 시스템의 제3방식(제3온도조건시)을 나타내는 구성도,
도 7은 본 발명에 따른 차량용 배터리의 열관리 시스템의 제4방식(제4온도조건시)을 나타내는 구성도이다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 차량용 배터리의 열관리 시스템은, 제1냉각수라인(W1)과, 제2냉각수라인(W2)과, 분기라인(W3)과, 밸브수단을 포함하여 이루어지며, 상기 밸브수단을 제어하여 상기 분기라인(W3)의 칠러(102)와 상기 제1냉각수라인(W1)의 수냉라디에이터(112) 중 하나 또는 모두를 이용하여 배터리(100)를 냉각하거나 가열수단(103)을 통해 배터리(100)를 가열하는 배터리의 열관리 시스템으로써, 하이브리드 자동차 또는 전기자동차 뿐만 아니라 배터리(100)를 사용하는 차량에 모두 적용될 수 있다.
여기서, 상기 칠러(102)는 상기 분기라인(W3)의 냉각수와 차량 에어컨 시스템의 냉매순환라인(R)의 냉매를 열교환하는 열교환기이다.
먼저, 상기 에어컨 시스템의 냉매순환라인(R)에는, 압축기(120)와, 응축기(121), 팽창수단(122), 증발기(123)가 순차적으로 연결되어 냉매가 순환하게 된다.
상기 압축기(120)는, 엔진(내연기관) 또는 전기모터(미도시) 등으로부터 동력을 전달받아 구동하면서 냉매를 흡입하여 압축한 후 고온 고압의 기체 상태로 배출하게 된다.
상기 응축기(121)는, 차량 엔진룸의 전방측에 설치됨과 아울러 상기 압축기(120)에서 배출되어 상기 냉매순환라인(R)을 유동하는 냉매를 외기와 열교환시켜 응축시키게 된다.
상기 팽창수단(122)은 팽창밸브로 이루어져 상기 응축기(121)에서 배출되어 증발기(123)로 향하는 냉매를 팽창시킴은 물론 유량 조절을 하게 된다.
상기 증발기(123)는 상기 팽창수단(122)에서 배출된 냉매를 차실내로 공급되는 공기를 서로 열교환시켜 증발시키게 되며, 이 과정에서 냉각된 공기를 차실내로 공급하여 냉방하게 된다.
상기 증발기(123)는 공조케이스(미도시)의 내부에 설치된다.
이와 같이, 상기 압축기(120)에서 압축된 후 배출된 고온의 냉매는 상기 응축기(121)에서 외부 공기와 열교환을 통해 응축된 후 상기 팽창수단(122)으로 유입되고, 상기 팽창수단(122)에서 팽창된 후 배출된 저온 냉매는 상기 증발기(123)에서 차실내로 공급되는 공기와 열교환을 통해 증발된 후 다시 상기 압축기(120)로 순환하게 되는 것이다.
그리고, 상기 냉매순환라인(R)에는 상기 칠러(102)를 병렬로 연결하여 냉매를 상기 칠러(102)측으로 순환시키는 냉매 병렬라인(R1)이 설치된다.
즉, 상기 냉매순환라인(R)에 상기 냉매 병렬라인(R1)이 병렬로 연결되는 것이다.
이때, 상기 냉매 병렬라인(R1)의 입구는 상기 응축기(121)와 팽창수단(122) 사이의 냉매순환라인(R)에 연결되고, 상기 냉매 병렬라인(R1)의 출구는 상기 증발기(123)와 압축기(120) 사이의 냉매순환라인(R)에 연결된다.
따라서, 상기 응축기(121)에서 배출된 냉매는 둘로 양분되어 일부는 상기 냉매순환라인(R)을 따라 유동하고 일부는 상기 냉매 병렬라인(R1)을 따라 유동하게 되며, 이후 상기 각각 양분되어 유동하는 냉매는 상기 압축기(120)의 전단에서 합류되어 압축기(120)로 유동하게 된다.
그리고, 상기 칠러(102)의 입구측 냉매 병렬라인(R1)에는 상기 칠러(102)로 향하는 냉매를 팽창시키는 보조 팽창수단(125)이 설치된다.
상기 보조 팽창수단(125)은 냉매 유동을 오프할 수 있는 팽창밸브로 이루어져, 상기 응축기(121)에서 배출된 후 냉매 병렬라인(R1)으로 유동하는 냉매를 팽창시키게 되며, 물론 냉매 유량 조절도 하게 된다.
상기 칠러(102)는, 상기 제2냉각수라인(W2)의 냉각수가 유동하는 냉각수유로부(102a)와, 상기 에어컨시스템에서 냉매 병렬라인(R1)의 냉매가 유동하는 냉매유로부(102b)가 열교환 가능하게 구성되어 이루어진다.
즉, 상기 칠러(102)는, 상기 냉각수유로부(102a)와 냉매유로부(102b)가 교대로 적층된 구조의 판형 열교환기로 구성될 수 있다.
그리고, 상기 제1냉각수라인(W1)은 전기구동장치(110)와 수냉라디에이터(112)를 연결하여 냉각수와 상기 전기구동장치(110)를 열교환시키게 되며, 즉, 상기 수냉라디에이터(112)를 통해 냉각된 냉각수를 상기 전기구동장치(110)로 순환시켜 전기구동장치(110)를 냉각시키게 된다.
또한, 상기 전기구동장치(110)의 입구측 제1냉각수라인(W1)에는 제1워터펌프(113)가 설치되어 냉각수를 순환시키게 된다.
상기 전기구동장치(110)로는, 전장품으로서 모터나 각종 전자부품 등이 있다.
이처럼, 상기 제1냉각수라인(W1)에는 제1워터펌프(113), 전기구동장치(110), 수냉라디에이터(112)가 순차적으로 연결된다.
그리고, 상기 제2냉각수라인(W2)은, 상기 제1냉각수라인(W1)에 배터리(100)를 연결하여 냉각수와 상기 배터리(100)를 열교환시키게 된다.
즉, 상기 배터리(100)는 상기 제2냉각수라인(W2)을 통해 상기 제1냉각수라인(W1)에 병렬로 연결되는 것이다.
이때, 상기 제2냉각수라인(W2)은 상기 수냉라디에이터(112)와 제1워터펌프(113) 사이의 제1냉각수라인(W1)에 연결되는데, 즉, 상기 수냉라디에이터(112)에서 부터 제1냉각수라인(W1)을 흐르는 냉각수 유동방향으로 상기 배터리(100)의 입구측 제2냉각수라인(W2)과 배터리(100)의 출구측 제2냉각수라인(W2)이 순차적으로 연결된다.
다시말해, 상기 제1냉각수라인(W1)에는, 제1워터펌프(113), 전기구동장치(110), 제2방향전환밸브(131), 수냉라디에이터(112), 배터리(100)의 입구측 제2냉각수라인(W2), 제1온오프밸브(133), 배터리(100)의 출구측 제2냉각수라인(W2)이 순차적으로 연결되는 것이다.
또한, 상기 배터리(100)의 입구측 제2냉각수라인(W2)에는 상기 배터리(100)로 순환하는 냉각수를 가열하는 가열수단(103)이 설치된다.
즉, 외기온도가 낮을 경우에는 상기 가열수단(103)을 통해 배터리(100)를 가열함으로써 배터리(100)의 온도를 최적으로 유지하여 배터리(100)의 효율을 향상시키게 된다.
상기 가열수단(103)으로는 전기가열식 히터를 사용하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 분기라인(W3)은, 상기 배터리(100)의 출구측 제2냉각수라인(W2)에서 분기되어 칠러(102)와 연결되며, 상기 배터리(100)를 통과한 냉각수의 일부 또는 전부를 상기 칠러(102)와 열교환시킨후 배터리(100)측으로 유동시키게 된다.
즉, 상기 분기라인(W3)은 상기 배터리(100)를 통과한 냉각수의 일부 또는 전부를 상기 칠러(102)를 통해 냉각한 후 배터리(100)측으로 재 순환시켜 배터리(100)를 냉각시키게 된다.
이처럼, 상기 분기라인(W3)을 통해 상기 칠러(102)가 상기 제2냉각수라인(W2)에 병렬로 설치되므로 결국 상기 수냉라디에이터(112)와 칠러(102)가 병렬 연결구조로 구성되게 된다.
또한, 상기 칠러(102)의 입구측 분기라인(W3)에는 제2워터펌프(101)가 설치되어 냉각수를 순환시키게 되며, 상기 제2워터펌프(101)는 상기 분기라인(W3)측으로 냉각수가 유동하는 경우에만 가동된다.
그리고, 상기 전기구동장치(110)의 출구측 제1냉각수라인(W1)과, 상기 배터리(100)의 입구측 제2냉각수라인(W2)을 연결하는 연결라인(W4)이 더 설치되어, 상기 배터리(100)의 가열이 필요한 경우 상기 전기구동장치(110)를 통과한 냉각수를 상기 배터리(100)측으로 순환시키는 라인을 구성하게 된다.
즉, 상기 연결라인(W4)을 통해 상기 제1냉각수라인(W1)의 전기구동장치(110)를 통과한 냉각수를 상기 제2냉각수라인(W2)측으로 유동시킬 수 있는 것이다.
이때, 상기 연결라인(W4)의 입구는 상기 제1냉각수라인(W1)의 제2방향전환밸브(131)와 연결되고, 상기 연결라인(W4)의 출구는 상기 분기라인(W3)의 출구 보다 상류측 제2냉각수라인(W2)과 연결된다.
따라서, 외기온도가 낮은 경우에는, 상기 전기구동장치(110)의 폐열과 상기 가열수단(103)에 의해 가열된 냉각수를 상기 배터리(100)로 순환시킴으로써, 배터리(100)의 온도를 최적으로 유지하여 배터리(100)의 효율을 향상시킬 수 있는 것이다.
그리고, 상기 밸브수단은, 상기 제1,2냉각수라인(W1,W2)에 설치되어 상기 제1,2냉각수라인(W1,W2)과 분기라인(W3)의 냉각수 흐름을 제어하게 되며, 즉, 상기 밸브수단을 제어하여 상기 칠러(102)와 수냉라디에이터(112) 중 하나 또는 모두를 이용하여 상기 배터리(100)를 냉각하게 되는 것이다.
상기 밸브수단은, 상기 제2냉각수라인(W2)과 상기 분기라인(W3)의 연결지점에 설치되는 제1방향전환밸브(130)와, 상기 제1냉각수라인(W1)과 상기 연결라인(W4)의 연결지점에 설치되는 제2방향전환밸브(131)와, 상기 제1냉각수라인(W1)상에서 상기 배터리(100)의 입구측 제2냉각수라인(W2)과 배터리(100)의 출구측 제2냉각수라인(W2)의 사이에 설치되는 제1온오프밸브(133)와, 상기 배터리(100)의 입구측 제2냉각수라인(W2)에 설치되는 제2온오프밸브(132)로 이루어진다.
이때, 상기 제2온오프밸브(132)는 상기 배터리(100)의 입구측 제2냉각수라인(W2)에서 상기 연결라인(W4)이 연결되는 지점 보다 상류측에 설치된다.
상기 제1,2방향전환밸브(130,131)로는 삼방밸브를 사용할 수 있다.
한편, 상기 밸브수단을 제어하는 제어부(미도시)가 구비되는데, 상기 제어부는 외기온도 조건에 따라 상기 밸브수단을 제어하여 냉각수의 흐름을 전환하게 된다.
본 발명에서는, 상기 밸브수단을 제어하여 도 4 내지 도 7과 같이 다양한 냉각수의 흐름을 구성할 수 있으며, 이때, 외기온도 조건에 따라 상기 밸브수단을 제어하여 아래와 같이 제1 내지 4 방식으로 냉각수 흐름을 제어하게 된다.
가. 제1방식(도 4)
제1방식은, 도 4와 같이 외기온도에 따른 제1온도조건시, 냉각수가 상기 제1냉각수라인(W1)을 독립적으로 순환하고, 상기 분기라인(W3) 및 제2냉각수라인(W2)의 일부 구간을 독립적으로 순환하도록 상기 밸브수단이 제어되어, 상기 수냉라디에이터(112)를 이용하여 전기구동장치(110)를 냉각하고, 상기 칠러(102)를 이용하여 상기 배터리(100)를 냉각하는 방식이다.
다시말해, 상기 전기구동장치(110)와 수냉라디에이터(112)를 순환하는 냉각수라인과, 상기 배터리(100)와 칠러(102)를 순환하는 냉각수라인이 독립적으로 구성되고 냉각수도 독립적으로 순환하게 되는 것이다.
한편, 상기 배터리(100)의 입구측 제2냉각수라인(W2)의 일부 구간과, 상기 배터리(100)의 출구측 제2냉각수라인(W2)의 일부 구간과, 상기 분기라인(W3)이 상기 배터리(100)와 칠러(102)를 순환하는 냉각수라인을 구성하게 된다.
상기 제1온도조건은, 외기온도 35~50℃ 조건으로서, 외기온도가 높아 상기 수냉라디에이터(112)로는 배터리(100) 냉각 효과가 없는 조건이다.
한편, 상기 제1방향전환밸브(130)는 상기 제2냉각수라인(W2)측 출구를 차단하고, 상기 제2방향전환밸브(131)는 상기 연결라인(W4)측 출구를 차단하며, 상기 제1온오프밸브(133)는 온(개방) 되고, 상기 제2온오프밸브(132)는 오프(폐쇄) 된다.
또한, 상기 제1워터펌프(113)와 제2워터펌프(101)가 모두 가동된다.
따라서, 상기 제1워터펌프(113)에서 배출된 냉각수는 제1냉각수라인(W1)을 독립적으로 순환하게 되는데, 즉, 상기 제1워터펌프(113)에서 배출된 냉각수가 상기 전기구동장치(110)를 통과하면서 전기구동장치(110)를 냉각하게 되고, 이후 상기 수냉라디에이터(112)를 통과하면서 공기와 열교환하여 냉각된 후 다시 상기 전기구동장치(110)로 순환하게 된다.
상기 제2워터펌프(101)에서 배출된 냉각수는 분기라인(W3) 및 제2냉각수라인(W2)을 독립적으로 순환하게 되는데, 즉, 상기 제2워터펌프(101)에서 배출된 냉각수가 상기 칠러(102)를 통과하면서 냉매와 열교환하여 냉각된 후, 상기 배터리(100)로 순환하여 배터리(100)를 냉각시키게 된다.
한편, 상기 냉매순환라인(R)을 순환하는 냉매 중 일부는 상기 냉매 병렬라인(R1)의 칠러(102)측으로 순환하게 된다. 이때 상기 냉매 병렬라인(R1)으로 순환하는 냉매는 보조 팽창수단(125)에서 팽창하면서 저온 저압으로 바뀐 후 상기 칠러(102)로 공급되어 냉각수를 냉각시키게 된다.
나. 제2방식(도 5)
제2방식은, 도 5와 같이 외기온도에 따른 제2온도조건시, 냉각수가 상기 제1냉각수라인(W1)과 제2냉각수라인(W2)을 직렬로 순환하되, 상기 배터리(100)를 통과한 냉각수가 분기라인(W3)으로도 일부 순환하도록 상기 밸브수단이 제어되어, 상기 수냉라디에이터(112)와 칠러(102)를 이용하여 상기 배터리(100)와 전기구동장치(110)를 냉각하는 방식이다.
상기 제2온도조건은, 외기온도 25~35℃ 조건으로서, 상기 수냉라디에이터(112)만으로 배터리(100) 냉각이 부족할 때, 상기 칠러(102)까지 이용하여 배터리(100)를 냉각하는 조건이다.
이때, 상기 제1냉각수라인(W1)과 제2냉각수라인(W2)이 직렬 연결되고, 상기 제2냉각수라인(W2)에는 분기라인(W3)이 병렬로 연결되는 구조로 인해 상기 수냉라디에이터(112)와 칠러(102)가 병렬로 연결되며, 이러한 병렬 연결구조로 인해 상기 칠러(102)측으로 순환하는 냉각수의 유량 조절이 가능하여 상기 칠러(102)에 걸리는 부하를 제어할 수 있고, 이로인해 차실내 냉방을 고려한 배터리(100) 냉각이 가능하다. 아울러 차실내 냉방과 배터리(100) 냉각의 효율적인 제어를 통해 압축기(120)의 소비동력을 감소시키고, 차량의 주행거리를 증대할 수 있다.
한편, 상기 제1방향전환밸브(130)는 상기 제2냉각수라인(W2)측 출구와 분기라인(W3)측 출구를 모두 개방하고, 상기 제2방향전환밸브(131)는 상기 연결라인(W4)측 출구를 차단하며, 상기 제1온오프밸브(133)는 오프(폐쇄) 되고, 상기 제2온오프밸브(132)는 온(개방) 된다.
또한, 상기 제1워터펌프(113)와 제2워터펌프(101)가 모두 가동된다.
따라서, 상기 제1워터펌프(113)는 냉각수를 제1냉각수라인(W1)과 제2냉각수라인(W2)을 따라 직렬로 순환시키게 되는데, 즉, 상기 제1워터펌프(113)에서 배출된 냉각수가 상기 전기구동장치(110)를 통과하면서 전기구동장치(110)를 냉각하게 되고, 이후 상기 수냉라디에이터(112)를 통과하면서 공기와 열교환하여 냉각된 후 상기 제2냉각수라인(W2)으로 순환하게 된다.
상기 제2냉각수라인(W2)을 순환하는 냉각수는 상기 배터리(100)를 통과하면서 배터리(100)를 냉각하게 된다.
이때, 상기 배터리(100)를 통과한 냉각수는 상기 제1방향전환밸브(130)를 통해 분기되면서 유량이 조절되어 일부는 제2냉각수라인(W2)을 통해 상기 제1냉각수라인(W1)으로 유동하여 재 순환하고, 일부는 상기 분기라인(W3)으로 유동하게 된다.
상기 분기라인(W3)으로 유동하는 냉각수는 상기 칠러(102)를 통과하면서 냉매와 열교환하여 냉각된 후, 상기 배터리(100)로 재 순환하여 배터리(100)를 냉각시키게 된다.
이러한 냉각수 흐름으로 인해 상기 수냉라디에이터(112)와 칠러(102)를 이용하여 상기 배터리(100)와 전기구동장치(110)를 모두 냉각할 수 있는 것이다.
한편, 상기 냉매순환라인(R)을 순환하는 냉매 중 일부는 상기 냉매 병렬라인(R1)의 칠러(102)측으로 순환하게 된다. 이때 상기 냉매 병렬라인(R1)으로 순환하는 냉매는 보조 팽창수단(125)에서 팽창하면서 저온 저압으로 바뀐 후 상기 칠러(102)로 공급되어 냉각수를 냉각시키게 된다.
다. 제3방식(도 6)
제3방식은, 도 6과 같이 외기온도에 따른 제3온도조건시, 냉각수가 상기 제1냉각수라인(W1)과 제2냉각수라인(W2)을 직렬로 순환하되, 상기 분기라인(W3)으로는 냉각수 순환을 차단하도록 상기 밸브수단이 제어되어, 상기 수냉라디에이터(112)를 이용하여 상기 배터리(100)와 전기구동장치(110)를 냉각하는 방식이다.
상기 제3온도조건은, 외기온도 10~25℃ 조건으로서, 외기온도가 상대적으로 낮을 때 에어컨시스템의 냉매 필요 없이 상기 수냉라디에이터(112)만으로 배터리(100)와 전기구동장치(110)를 냉각하는 조건이다.
이때, 상기 제2냉각수라인(W2)을 순환하는 냉각수는 상기 제1방향전환밸브(130)에 의해 상기 칠러(102)를 바이패스하게 되어, 상기 칠러(102) 미사용으로 인한 불필요한 저항을 제거하여 냉각수 유량 감소를 방지하게 된다.
아울러, 상기 칠러(102) 미사용시에는 제2워터펌프(101)가 정지되며, 이 경우 상기 제1냉각수라인(W1)의 제1워터펌프(113)만으로 전체 라인 즉, 제1,2냉각수라인(W1,W2)의 냉각수 순환이 가능하므로 불필요한 전력 손실을 막아 차량 주행거리를 더욱 증대할 수 있다.
한편, 상기 제1방향전환밸브(130)는 상기 분기라인(W3)측 출구를 차단하고 제2냉각수라인(W2)측 출구를 개방하며, 상기 제2방향전환밸브(131)는 상기 연결라인(W4)측 출구를 차단하며, 상기 제1온오프밸브(133)는 오프(폐쇄) 되고, 상기 제2온오프밸브(132)는 온(개방) 된다.
또한, 상기 제1워터펌프(113)는 가동되고, 제2워터펌프(101)는 정지된다.
따라서, 상기 제1워터펌프(113)는 냉각수를 제1냉각수라인(W1)과 제2냉각수라인(W2)을 따라 직렬로 순환시키게 되는데, 즉, 상기 제1워터펌프(113)에서 배출된 냉각수가 상기 전기구동장치(110)를 통과하면서 전기구동장치(110)를 냉각하게 되고, 이후 상기 수냉라디에이터(112)를 통과하면서 공기와 열교환하여 냉각된 후 상기 제2냉각수라인(W2)으로 순환하게 된다.
상기 제2냉각수라인(W2)을 순환하는 냉각수는 상기 배터리(100)를 통과하면서 배터리(100)를 냉각하게 되고, 이후 상기 제1냉각수라인(W1)으로 유동하여 상기의 과정을 재순환하게 된다.
한편, 상기 냉매순환라인(R)을 순환하는 냉매는 상기 냉매 병렬라인(R1)측으로 순환하지 않는다.
라. 제4방식(도 7)
제4방식은, 도 7과 같이 외기온도에 따른 제4온도조건시, 냉각수가 상기 제1냉각수라인(W1)의 전기구동장치(110)를 통과한 후 연결라인(W4)을 통해 제2냉각수라인(W2)으로 순환하되, 상기 분기라인(W3)으로는 냉각수 순환을 차단하도록 상기 밸브수단이 제어되어, 상기 전기구동장치(110)의 폐열과 가열수단(103)을 이용하여 상기 배터리(100)를 가열하는 방식이다.
상기 제4온도조건은, 외기온도 -20~0℃ 조건으로서, 외기온도가 영하일 때 배터리(100)와 전기구동장치(110) 모두 가열하는 조건이다.
이때, 상기 제2냉각수라인(W2)을 순환하는 냉각수는 상기 제1방향전환밸브(130)에 의해 상기 칠러(102)를 바이패스하게 되어, 상기 칠러(102) 미사용으로 인한 불필요한 저항을 제거하여 냉각수 유량 감소를 방지하게 된다.
아울러, 상기 칠러(102) 미사용시에는 제2워터펌프(101)가 정지되며, 이 경우 상기 제1냉각수라인(W1)의 제1워터펌프(113)만으로 전체 라인 즉, 제1,2냉각수라인(W1,W2)의 냉각수 순환이 가능하므로 불필요한 전력 손실을 막아 차량 주행거리를 더욱 증대할 수 있다.
한편, 상기 제1방향전환밸브(130)는 상기 분기라인(W3)측 출구를 차단하고 제2냉각수라인(W2)측 출구를 개방하며, 상기 제2방향전환밸브(131)는 상기 제1냉각수라인(W1)측 출구를 차단하고 상기 연결라인(W4)측 출구를 개방하며, 상기 제1온오프밸브(133)는 오프(폐쇄) 되고, 상기 제2온오프밸브(132)도 오프(폐쇄) 된다.
또한, 상기 제1워터펌프(113)는 가동되고, 제2워터펌프(101)는 정지되며, 상기 가열수단(103)이 가동된다.
따라서, 상기 제1워터펌프(113)는 냉각수를 제1냉각수라인(W1)의 일부구간만 순환시킨 후 연결라인(W4)을 통해 제2냉각수라인(W2)으로 유동시키게 되는데, 즉, 상기 제1워터펌프(113)에서 배출된 냉각수가 상기 전기구동장치(110)를 통과하면서 전기구동장치(110)와의 열교환에 의해 폐열을 회수하게 되고, 이후 상기 연결라인(W4)을 통해 상기 제2냉각수라인(W2)으로 유동하게 된다.
상기 제2냉각수라인(W2)으로 유동한 냉각수는 상기 가열수단(103)에 의해 가열된 후, 상기 배터리(100)를 통과하면서 배터리(100)를 가열하게 되고, 이후 상기 배터리(100)의 출구측 제2냉각수라인(W2)을 통해 상기 제1냉각수라인(W1)으로 유동하여 상기의 과정을 재순환하게 된다.
한편, 상기 냉매순환라인(R)을 순환하는 냉매는 상기 냉매 병렬라인(R1)측으로 순환하지 않는다.
이와 같이, 상기 수냉라디에이터(112) 및 칠러(102)와, 상기 가열수단(103)을 이용하여 상기 배터리(100)의 냉각 뿐만 아니라 가열까지 수행함으로써, 상기 배터리(100)의 온도를 최적으로 유지하여 배터리(100)의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 배터리(100)의 냉각 용량 증대로 인해 배터리(100) 집적 및 용량 증대가 가능하고, 상기 배터리(100)의 용량 및 효율 증대로 차량 주행거리를 증대할 수 있다.
100: 배터리 101: 제2워터펌프
102: 칠러 103: 가열수단
110: 전기구동장치 112: 수냉라디에이터
113: 제1워터펌프 120: 압축기
121: 응축기 122: 팽창수단
123: 증발기 125: 보조 팽창수단
130: 제1방향전환밸브 131: 제2방향전환밸브
132: 제2온오프밸브 133: 제1온오프밸브
R: 냉매순환라인 R1: 냉매 병렬라인
W1: 제1냉각수라인 W2: 제2냉각수라인
W3: 분기라인 W4: 연결라인

Claims (12)

  1. 전기구동장치(110)와 수냉라디에이터(112)를 연결하여 냉각수와 상기 전기구동장치(110)를 열교환시키는 제1냉각수라인(W1)과,
    상기 제1냉각수라인(W1)에 배터리(100)를 연결하여 냉각수와 상기 배터리(100)를 열교환시키는 제2냉각수라인(W2)과,
    상기 배터리(100)의 출구측 제2냉각수라인(W2)에서 분기되어 칠러(102)와 연결되며, 상기 배터리(100)를 통과한 냉각수의 일부 또는 전부를 상기 칠러(102)와 열교환시킨후 배터리(100)측으로 유동시키는 분기라인(W3)과,
    상기 제1,2냉각수라인(W1,W2)에 설치되어 상기 제1,2냉각수라인(W1,W2)과 분기라인(W3)의 냉각수 흐름을 제어하는 밸브수단을 포함하며,
    상기 밸브수단을 제어하여 상기 칠러(102)와 수냉라디에이터(112) 중 하나 또는 모두를 이용하여 상기 배터리(100)를 냉각하고,
    상기 분기라인(W3)은, 상기 배터리(100)의 출구측 제2냉각수라인(W2)과, 상기 배터리(100)의 입구측 제2냉각수라인(W2)을 연결하되,
    상기 밸브수단은, 상기 제2냉각수라인(W2)과 상기 분기라인(W3)의 연결지점에 설치되는 제1방향전환밸브(130)를 구비하고,
    외기온도가 특정조건시에, 배터리(100)를 통과한 냉각수는 상기 제1방향전환밸브(130)를 통해 분기되면서 유량이 조절되어 일부는 제2냉각수라인(W2)을 통해 제1냉각수라인(W1)으로 유동하여 재순환하고, 일부는 상기 분기라인(W3)으로 유동하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리의 열관리 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기구동장치(110)의 출구측 제1냉각수라인(W1)과, 상기 배터리(100)의 입구측 제2냉각수라인(W2)을 연결하는 연결라인(W4)이 더 설치되어, 상기 배터리(100)의 가열이 필요한 경우 상기 전기구동장치(110)를 통과한 냉각수를 상기 배터리(100)측으로 순환시키는 라인을 구성하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리의 열관리 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 밸브수단은,
    상기 제1냉각수라인(W1)과 상기 연결라인(W4)의 연결지점에 설치되는 제2방향전환밸브(131)와,
    상기 제1냉각수라인(W1)상에서 상기 배터리(100)의 입구측 제2냉각수라인(W2)과 배터리(100)의 출구측 제2냉각수라인(W2)의 사이에 설치되는 제1온오프밸브(133)와,
    상기 배터리(100)의 입구측 제2냉각수라인(W2)에 설치되는 제2온오프밸브(132)로 이루어진 것을 특징으로 하는 차량용 배터리의 열관리 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    외기온도에 따른 제1온도조건시에는, 냉각수가 상기 제1냉각수라인(W1)을 독립적으로 순환하고, 상기 분기라인(W3) 및 제2냉각수라인(W2)의 일부 구간을 독립적으로 순환하도록 상기 밸브수단이 제어되어, 상기 수냉라디에이터(112)를 이용하여 전기구동장치(110)를 냉각하고, 상기 칠러(102)를 이용하여 상기 배터리(100)를 냉각하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리의 열관리 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    외기온도에 따른 제2온도조건시에는, 냉각수가 상기 제1냉각수라인(W1)과 제2냉각수라인(W2)을 직렬로 순환하되, 상기 배터리(100)를 통과한 냉각수가 분기라인(W3)으로도 일부 순환하도록 상기 밸브수단이 제어되어, 상기 수냉라디에이터(112)와 칠러(102)를 이용하여 상기 배터리(100)와 전기구동장치(110)를 냉각하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리의 열관리 시스템.
  7. 제 4 항에 있어서,
    외기온도에 따른 제3온도조건시에는, 냉각수가 상기 제1냉각수라인(W1)과 제2냉각수라인(W2)을 직렬로 순환하되, 상기 분기라인(W3)으로는 냉각수 순환을 차단하도록 상기 밸브수단이 제어되어, 상기 수냉라디에이터(112)를 이용하여 상기 배터리(100)와 전기구동장치(110)를 냉각하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리의 열관리 시스템.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 배터리(100)의 입구측 제2냉각수라인(W2)에는 상기 배터리(100)로 순환하는 냉각수를 가열하는 가열수단(103)이 설치된 것을 특징으로 하는 차량용 배터리의 열관리 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    외기온도에 따른 제4온도조건시에는, 냉각수가 상기 제1냉각수라인(W1)의 전기구동장치(110)를 통과한 후 연결라인(W4)을 통해 제2냉각수라인(W2)으로 순환하되, 상기 분기라인(W3)으로는 냉각수 순환을 차단하도록 상기 밸브수단이 제어되어, 상기 전기구동장치(110)의 폐열과 가열수단(103)을 이용하여 상기 배터리(100)를 가열하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리의 열관리 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기구동장치(110)의 입구측 제1냉각수라인(W1)에는 제1워터펌프(113)가 설치되는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리의 열관리 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 칠러(102)의 입구측 분기라인(W3)에는 제2워터펌프(101)가 설치되는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리의 열관리 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 칠러(102)는, 상기 분기라인(W3)의 냉각수가 유동하는 냉각수유로부(102a)와, 차량 에어컨시스템의 냉매가 유동하는 냉매유로부(102b)가 열교환 가능하게 구성되어 이루어진 것을 특징으로 하는 차량용 배터리의 열관리 시스템.
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