KR102320361B1 - 차량 객실 가열 회로 및 배터리 가열 회로를 구비한 차량용 열 펌프 장치 - Google Patents

차량 객실 가열 회로 및 배터리 가열 회로를 구비한 차량용 열 펌프 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량 객실 가열 회로 및 배터리 가열 회로를 구비한 전기 차량용 열 펌프 장치에 관한 것이며, 상기 열 펌프 장치는, 상기 차량 객실 가열 회로가 열 운반체의 유동 방향으로, 가열 열교환기(19), 4/2-방향 밸브(35), 냉각제 펌프(17) 및 차량 객실 공기를 직접 가열하기 위한 가열 장치(23)를 포함하고, 냉각제-냉각제 열교환기(37)의 따뜻한 측면은 상기 배터리 가열 회로의 간접 가열을 위해 상기 4/2-방향 밸브(35)를 통해 상기 차량 객실 가열 회로에 연결되며, 상기 배터리 가열 회로는 배터리 열교환기(25), 냉각제 펌프(22) 및 상기 냉각제-냉각제 열교환기(37)를 포함하고, 상기 냉각제-냉각제 열교환기(37)의 차가운 측면은 상기 배터리 가열 회로 내에 통합되는 것을 특징으로 한다.

Description

차량 객실 가열 회로 및 배터리 가열 회로를 구비한 차량용 열 펌프 장치{HEAT PUMP ARRANGEMENT FOR VEHICLES WITH A VEHICLE CABIN HEATING CIRCUIT AND A BATTERY HEATING CIRCUIT}
본 발명은 차량의 열 시스템의 일부로서 차량 객실 가열 회로 및 배터리 가열 회로를 포함하는, 특히 전기 차량 또는 플러그-인 하이브리드용 열 펌프 장치에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 열 펌프 시스템과 무관한 가열 장치에 의한 차량 객실의 직접 가열 방법, 및 열 펌프 시스템과 무관한 가열 장치에 의한 배터리의 간접 가열 방법에 관한 것이다.
더 넓은 의미에서, 본 발명은 소위 고전압 배터리 또는 축전지로 작동되는 전기 차량, 하이브리드 구동 차량 또는 연료 전지 차량용 열 시스템의 개념에 관한 것이다.
전술한 고도로 전기화된(electrified) 차량에는 종종 열 관리 시스템이 장착되어 있어서, 전기 에너지 저장기의 빠른 급속 가능성을 실현하고, 이를 위해 배터리의 효율적인 냉각을 허용하며, 또한 특정 작동 상황에서 차량 객실의 효율적인 가열 및 최적의 작동 온도로 배터리의 가열을 허용한다.
배터리 전기 차량의 운전자 및 사용자의 관점에서, 주된 단점은 고전압 배터리의 너무 긴 충전 시간과 더불어, 더 차가운 주변 온도에서 차량 객실을 가열할 때 쾌적성(comfort)이 떨어진다는 것이다.
따라서, 전기 차량의 수용을 증가시키기 위한 중요한 전제 조건은 한편으로 차량 객실의 최적화된 가열에 의해 쾌적성을 향상시키고, 다른 한편으로는 배터리의 충전 및 방전을 위한 최적의 작동 조건을 제공하는 것이다.
배터리 냉각을 위한 직접 냉매-냉각식 시스템의 경우, 저압 측의 냉매 회로는 증발기에서 냉매를 증발시킴으로써 고압 배터리 또는 차량 객실의 폐열을 흡수한다. 증발된 냉매는 압축기에 의해 더 높은 압력 레벨로 압축된다. 압축 작업에 의해 냉매에 추가로 열이 공급된다. 압축기의 출구에서, 냉매는 고온의 고압 가스로서 응축기 내로 유입된다. 응축기 내에서, 이전에 흡수된 기화열 및 압축열은 공랭식 응축기의 경우 공기로 또는 예컨대 수냉식 응축기의 경우 냉각제로 전달된다. 냉매는 팽창 요소 내로 들어가기 전에, 여전히 고압하의 액체 형태로 응축기를 떠난다. 팽창 요소를 통해 흐르는 냉매는 고압으로부터 저압 레벨로 팽창된다. 따라서, 냉매의 온도는 폐열을 흡수하기에 적합한 레벨로 떨어진다. 차갑고 액체인 냉매는 증발기로 유입되고 증발시 다시 열을 흡수할 수 있어서, 냉매 회로가 폐쇄된다.
차량 객실의 가열을 위한 그리고 배터리 전기 차량의 에너지 저장기에 대한 최적의 작동 온도를 제공하기 위해 배터리 냉각 및 배터리 가열을 위한 다양한 열 펌프 장치가 종래 기술에 공지되어 있다.
그러나, 열 펌프 장치의 냉매 회로의 고장시 차량 객실 및 배터리에 열 공급이 보장되지 않거나, 또는 이러한 작동 상황이 많은 비용을 수반하는 하이 레벨의 장치를 사용해서만 보장된다.
본 발명의 과제는 차량의 열 관리 시스템에 대한 요구가 증가함에 따라 가능한 낮은 추가 장치 비용으로 차량 객실 및 배터리의 수요를 충족시키는 것이다.
상기 과제는 독립 청구항들의 특징들을 갖는, 차량 객실 가열 회로 및 배터리 가열 회로를 구비한 전기 차량용 열 펌프 장치에 의해 그리고 열 펌프 장치의 작동 방법에 의해 해결된다. 개선 예들은 종속 청구항들에 제시되어 있다.
본 발명의 과제는 특히 차량 객실 가열 회로와 배터리 가열 회로를 서로 열적으로 결합시키는, 차량 객실 가열 회로 및 배터리 가열 회로를 구비한 전기 차량용 열 펌프 장치에 의해 해결된다.
차량 객실 가열 회로는, 기능 및 열 전달 과제에 따라 냉각제라고도 하는 열 운반체의 유동 방향으로, 차량 객실용 공기를 가열하기 위한 가열 열교환기, 차량 객실 공기의 직접 가열 및 배터리 가열 회로의 간접 가열을 스위칭하기 위한 4/2-방향 밸브, 차량 객실 가열 회로를 통해 열 운반체를 펌핑하기 위한 냉각제 펌프, 및 열 운반체를 가열하기 위한 가열 장치가 배치되도록 설계된다.
열 전달을 위한 액체는 일반적으로 열 운반체 또는 냉각제로 간주된다. 예컨대, 물-글리콜 혼합물은 자동차의 냉각제 회로에 널리 보급되어 있다.
본 발명의 의미에서, 차량 객실 공기의 직접 가열은 가열 장치에 의해 가열 된, 차량 객실 가열 회로의 열 운반체가 에어 컨디셔닝 시스템의 가열 열교환기 또는 차량의 통풍기에서 직접 차량 객실 공기를 가열하는 것을 의미한다.
본 발명의 의미에서, 배터리 가열 회로의 간접 가열은 가열 장치에 의해 가열된 열 운반체가 냉각제-냉각제 열교환기의 따뜻한 측면을 통해 흘러서 열을 간접적으로 배터리 가열 회로의 열 운반체 또는 냉각제로 전달하는 것을 의미한다.
냉각제-냉각제 열교환기는 배터리 가열 회로의 간접 가열을 위해 4/2-방향 밸브를 통해 차량 객실 가열 회로에 연결된다.
따라서, 가열 장치에 의해 가열된 열 운반체의 열 전달과 직접 및 간접적으로 관련되는데, 배터리가 차량 객실 가열 회로에 의해 직접 가열되는 것이 아니라 차량 객실 가열 회로로부터 냉각제-냉각제 열교환기를 통해 열 에너지를 흡수하는 배터리 가열 회로에 의해 가열되는 반면, 상기 열 운반체는 차량 객실 가열 회로의 가열 열교환기에서 차량 객실 공기를 직접 가열한다.
배터리 가열 회로는 배터리를 가열하기 위해, 배터리 열교환기, 추가 냉각제 펌프 및 냉각제-냉각제 열교환기를 포함하며, 냉각제-냉각제 열교환기의 차가운 측면은 배터리 가열 회로 내에 통합된다.
가열 장치로서 바람직하게는 고전압 PTC 가열 요소가 사용되고, 상기 가열 요소는 전기 에너지를 열로 변환하며, 상기 열은 차량 객실 가열 회로로부터 그리고 배터리 가열 회로로부터 차량 객실 공기 및/또는 배터리로 전달된다.
본 발명의 구상은, 제안된 열 관리 시스템에서, 가열 장치, 예컨대 고전압 PTC 가열 요소가 냉각제의 유동 방향으로 가열 레지스터, 가열 열교환기의 상류에 배치되어, 필요한 가열 능력이 냉각제-냉각식 응축기 내의 열 펌프에 의해 냉매 회로로부터 제공될 수 없는 경우, 차량 객실 가열용 냉각제를 필요한 온도로 가열하기 위해 사용된다는 것이다. 냉매 회로의 압축기가 고장 나면, 필요한 가열 능력이 전적으로 고전압 PTC 가열 요소에 의해 제공된다.
가열 레지스터의 출구에 4/2-방향 밸브를 사용하면, 냉각제 흐름이 간접 냉각제-냉각제 열교환기를 통해 우회될 수 있다. 이 냉각제-냉각제 열교환기는 차량 객실 가열 회로로부터 배터리 가열 회로로 열을 전달하기 위해 사용된다.
이러한 방식으로, 단일 고전압 PTC 가열 요소는 배터리를 가열하기 위해 그리고 냉매-냉각제 열교환기, 칠러 내의 냉매를 증발시키도록 추가의 기화열을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 이 경우, 냉매 회로로부터의 과잉 응축열은 차량 객실 가열 회로를 통해 배터리 가열 회로 내로 공급되어, 거기서 칠러 내의 기화열로서 또는 배터리의 가열을 위한 열원으로서 사용될 수 있다.
이는 열 관리 시스템의 매우 바람직한 확장이며, 냉매 회로를 더 효율적으로 작동시키기 위해 차량 객실 가열 회로로부터의 과잉 열을 사용할 수 있게 한다.
열 펌프 장치는, 차량 객실 가열 회로가 A/C 냉각제 회로 내에 통합되고 배터리 가열 회로가 공조 및 배터리 냉각 장치의 전기 구동 트레인 냉각제 회로 내에 통합됨으로써, 특히 바람직하게 개선된다. A/C 냉각제 회로 및 전기 구동 트레인 냉각제 회로가 4/2-방향 냉각제 밸브를 통해 서로 연결되어, A/C 냉각제 회로와 전기 구동 트레인 냉각제 회로가 별도로 작동될 수 있거나 직렬로 흐를 수 있게 설계되고, A/C 냉각제 회로는 차량 객실 가열 회로의 부품 외에도 주변 공기 및 응축기로 열 전달을 위한 적어도 하나의 A/C 냉각제 라디에이터를 포함한다. A/C 냉각제 회로는 상기 응축기를 통해 냉매 회로와 열적으로 결합된다. 전기 구동 트레인 냉각제 회로는 배터리 가열 회로의 부품 외에도, 냉각제 펌프, 주변 공기로 열 전달을 위한 구동 트레인 냉각제 라디에이터 및 칠러를 포함하며, 상기 칠러를 통해 전기 구동 트레인 냉각제 회로가 냉매 회로와 열적으로 결합된다. 냉매 회로는 적어도 하나의 압축기, 응축기, 주변 공기로 열 전달을 위한 또는 열 펌프 모드에서 주변 공기로부터 열 흡수를 위한 주변 열교환기, 팽창 요소 및 칠러를 포함한다.
가열 열교환기는 차량 객실을 가열하기 위해 A/C 냉각제 라디에이터와 병렬로 또는 A/C 냉각제 라디에이터에 대한 대안으로서, 3-방향 밸브를 통해 스위칭 가능하게 A/C 냉각제 회로 내에 설계되는 것이 바람직하다.
전기 구동 트레인 냉각제 회로에서, 냉각제 펌프 및/또는 적어도 하나의 인버터 및/또는 적어도 하나의 전기 모터 열교환기는 배터리 열교환기와 병렬로 흐르도록 설계되는 것이 바람직하다. 인버터와 전기 모터 열교환기는 주로 폐열로서 열을 발생시키는 차량 부품에 사용되며, 상기 폐열은 예를 들어 과열을 피하고 최적의 작동 상태를 유지하기 위해 방출되어야 한다.
냉매 회로에서 팽창 요소는 응축기 하류에 그리고 주변 열교환기 상류에 배치되는 것이 바람직하다.
냉매 회로에서, 상류에 접속된 관련 팽창 요소를 가진 전방 증발기 및/또는 상류에 접속된 관련 팽창 요소를 가진 후방 증발기가 병렬로 접속되어 배치되는 것이 바람직하다. 냉매 회로 내의 저압 수집기는 압축기의 상류에 배치되는 것이 바람직하다.
전기 구동 트레인 냉각제 회로 내에, 바람직하게는 5-방향 밸브가 배치되고, 구동 트레인 냉각제 라디에이터, 냉각제-냉각제 열교환기, 배터리 열교환기, 전기 모터 열교환기 및 바이패스가 상기 5-방향 밸브에 연결된다.
배터리 열교환기와 병렬로 3-방향 밸브를 통해 냉각제용 바이패스가 배치된다.
배터리 열교환기와 병렬인 냉각제 바이패스는 배터리 셀 내의 소위 핫 스폿을 피하기 위해 배터리 열교환기를 통해 최소 냉각제 체적 유량을 유지하는데 중요하다. 이 바이패스는 전기 구동 트레인 부품으로부터의 폐열이 칠러에서 흡수되어야 하는 열 펌프의 경우에 특히 유용하다. 차가운 주변 온도에서 고전압 배터리를 손상으로부터 보호하기 위해, 배터리에서 열을 제거할 필요가 없기 때문에 배터리는 가급적 자체 가열된다. 이 경우, 3-방향 밸브를 통해 바이패스가 활성화되므로, 배터리에서 열을 제거하지 않고도 배터리 열교환기를 통해 최소 냉각제 체적 유량이 보장될 수 있다.
본 발명의 과제는 직접 차량 객실 가열을 위해, 냉각제 펌프, 3-방향 밸브, 가열 장치 및 가열 열교환기가 4/2-방향 냉각제 밸브를 통해 차량 객실 가열 회로에서 직렬로 연결된, 열 펌프 장치의 작동 방법에 의해 해결된다.
이 모드에서, 고전압 PTC 가열 요소는 냉각제를 가열 레지스터 내로 유입 전에 객실에 필요한 온도로 가열하기 위해 사용된다. 이는 열 펌프를 사용할 필요 없이 또는 압축기를 스위치-온할 필요 없이 차량 객실의 가열을 가능하게 한다.
본 발명의 과제는 또한 간접 배터리 가열을 위해, 냉각제 펌프, 3-방향 밸브, 가열 장치, 가열 열교환기 및 따뜻한 측면 상의 냉각제-냉각제 열교환기가 4/2-방향 밸브를 통해 차량 객실 가열 회로에서 직렬로 연결된, 열 펌프 장치의 작동 방법에 의해 해결된다. 배터리 열교환기, 냉각제 펌프 및 냉각제-냉각제 열 교환기의 차가운 측면은 배터리 가열 회로에서 직렬로 연결된다.
이 모드에서, 고전압 PTC 가열 요소는 차량 객실 가열 회로 내의 냉각제를 배터리 가열에 필요한 온도로 가열하기 위해 사용된다. 고전압 PTC 가열 요소에 의해 제공되는 열은 냉각제의 직접 교환 없이 냉각제-냉각제 열교환기를 통해 배터리 가열 회로로 전달된다.
특히, 가열 열교환기를 통해 흐르는 냉각제는 가열 장치와의 제시된 상호 연결에 의해 직접 가열될 수 있다는 장점이 있다. 이로써 냉각 시스템의 압축기를 사용하지 않고도 차량 객실이 가열될 수 있다. 압축기가 스위치 오프되거나 심지어 손상된 경우에도, 쾌적성을 잃지 않으면서 차량 객실의 가열이 유지될 수 있다.
직접 차량 객실 가열에 추가해서, 가열 냉각제 회로로부터의 과잉 열은, 두 회로들 간에 냉각제가 혼합되지 않으면서, 배터리의 간접 가열에 사용될 수 있다.
본 발명의 실시 예들의 추가의 세부 사항, 특징 및 장점은 관련 도면을 참조하는 실시 예에 대한 하기 설명에 제시된다.
도 1은 공조 및 배터리 냉각 장치의 회로도이고,
도 2는 차량 객실 가열 회로 및 배터리 가열 회로를 구비한 열 펌프 장치에 의해 변형된 공조 및 배터리 냉각 장치의 회로도이며,
도 3은 직접 차량 객실 가열을 위한 열 펌프 장치의 회로도이고,
도 4는 간접 배터리 가열을 위한 열 펌프 장치의 회로도이다.
도 1에서, 공조 및 배터리 냉각 장치(1)는 필수 부품 및 선택적 상호 접속을 갖는 회로도로서 도시되어 있다. 냉각제 회로와 냉매 회로의 조합으로 이루어진 전체 열 시스템은 냉각 시스템 외에, 열 펌프 기능을 갖는다. 이는 공조 및 배터리 냉각 장치에 의해 차량용 냉기와 열이 제공될 수 있음을 의미한다.
시스템은 2개의 냉각제 회로와 하나의 냉매 회로로 이루어지며, 상기 냉각제 회로들은 서로 연결될 수 있다. 이를 위해, A/C 냉각제 회로와 전기 구동 트레인 냉각제 회로를 하나의 큰 직렬 회로로 통합하거나 또는 서로 완전히 분리하도록 4/2-방향 냉각제 밸브(21)가 제공된다. A/C 냉각제 회로의 서브 라인과 전기 구동 트레인 냉각제 회로의 직렬 연결에 의해, 구동 트레인 냉각제 라디에이터(32)는 A/C 냉각제 라디에이터(20) 및 냉매 회로의 주변 열 교환기(5)와 더불어 추가로 응축열을 주변 공기(33)로 방출하기 위해 사용된다.
냉매 회로는 압축기(2) 및 후속하는 응축기(3)에서 시작된다. 2개의 서브 라인이 이어지며, 하나의 서브 라인은 팽창 요소(4)와 후속하는 주변 열교환기(5) 및 체크 밸브(15)를 통해 연장되고, 제2 서브 라인은 차단 밸브(6)를 통해 연장된 후, 2개의 서브 라인이 다시 통합된다. 후속해서, 3개의 열교환기는 각각 관련 팽창 요소를 가진 증발기로서 연결된다. 전방 증발기(10)를 가진 팽창 요소(7), 후방 증발기(11)를 가진 팽창 요소(8), 및 칠러(12)를 가진 팽창 요소(9). 칠러(12)와 병렬로, 차단 밸브(14)를 통한 바이패스가 구현된다. 증발기(10, 11)를 통한 라인들은 합해져서 체크 밸브(16)를 통해 안내되고 바이패스 및 칠러(12)로부터의 라인과 통합된다. 냉매 증기는 저압 수집기(13)를 통해 압축기(2)에 도달하며, 회로는 폐쇄된다.
A/C 냉각제 회로는 냉각제 펌프(17) 하류에서 3-방향 밸브(18)를 통해 A/C 냉각제 라디에이터(20) 및/또는 가열 열교환기(19)로 스위칭될 수 있다. A/C 냉각제 라디에이터(20)를 향한 라인은 응축기(3)로부터 냉각제 펌프(17)로 연장되고, 회로는 폐쇄된다. 가열 열교환기(19)를 통한 라인은 응축기 입구의 상류에서 또는 응축기 입구에서 A/C 냉각제 라디에이터(20)를 통한 라인과 통합된다.
또한, 구동 트레인 냉각제 라디에이터(32)와 A/C 냉각제 라디에이터(20) 사이에서 유체 유동 방향으로 직렬로 흐르는 전기 구동 트레인 부품들, 즉 인버터(29), 변환기(30), 전기 모터 열교환기(31)는 정지 상태에서 냉각 시스템으로부터의 특정량의 폐열을 저장하기 위해 축열기로서 사용될 수 있다. 이 일시적으로 저장된 열은 나중에 주행 작동 중 냉각제 회로들이 완전히 분리될 때 주변으로 방출될 수 있다. 가열 모드에서, 열 펌프 작동 중에, 상기 일시적으로 저장된 열 또는 전기 구동 트레인 부품으로부터의 폐열은 냉매의 증발을 위한 열원으로서 사용될 수 있으며, 이 열은 가열 시스템에 접근 가능하게 된다. 이러한 방식으로, 에어컨 및 배터리 냉각 장치의 전체 열 시스템은 매우 효율적인 방식으로 높은 냉각 능력 및 가열 능력을 제공하는 것을 허용한다.
전기 구동 트레인 냉각제 회로에서, 상이한 라인들은 3-방향 밸브(34)를 통해 연결된다. 인버터(29), 변환기(30) 및 전기 모터 열교환기(31)를 가진 라인은 냉각제 펌프(28)에 의해 구동된다. 다른 라인은 냉각제 펌프(22), 가열 장치(23), 기능적으로 배터리 냉각기로서 또는 배터리 히터로서 사용되는 배터리 열교환기(25), 및 상기 배터리 열교환기(25)로의 바이패스를 가진 배터리 냉각 라인 또는 배터리 가열 라인으로서 설계된다. 바이패스는 3-방향 밸브(24)를 통해 스위칭된다. 제3 라인에서, 칠러(12)는 차단 밸브(26)를 통해 통합되며, 이들 부품들을 냉각하기 위한 회로로서 배터리 열교환기(25) 및/또는 전기 구동 트레인 부품들, 즉 인버터(29), 변환기(30), 전기 모터 열교환기(31)와 함께 작동될 수 있다. 3-방향 밸브(27)는 상기 라인들을 구동 트레인 냉각제 라디에이터(32)에 연결한다.
A/C 냉각제 회로는 얇은 이중선으로 표시된다.
냉매 회로는 중간 두께의 이중선으로 표시된다.
전기 구동 트레인 냉각제 회로는 두꺼운 이중선으로 표시된다.
도 1에 따른 공조 및 배터리 냉각 장치(1)에서, 차량 객실 내로 유입되는 공기는 시스템의 열 펌프 모드를 통해서만 가열된다. 이를 위해, 냉매 회로가 불가피하게 그리고 그에 따라 압축기(2)가 불가피하게 작동되어야 하며, 압축기(2)로서 바람직하게는 전기 냉매 압축기, 특히 스크롤 압축기가 사용된다.
가열 장치(23)로서의 고압 PTC 가열 요소는 도 1에 따른 실시 예에서 가열 열교환기(19)를 통해 흐르는 차량 객실 가열 회로의 냉각제를 직접 가열하기 위해 사용될 수 없다. 냉매 회로 내의 압축기가 고장난 경우, 차량 객실은 기존 가열 장치(23)에도 불구하고 더 이상 가열될 수 없다.
도 2에 따른 열 펌프 장치에서, 도 1에 따른 공조 및 배터리 냉각 장치(1)는 냉매 회로의 열 펌프 모드와는 무관하게, 차량 객실에 열을 공급할 목적으로 변형되어 구현된다.
냉매 회로는 기능 및 부품 면에서 도 1에 도시된 냉매 회로에 상응한다. 열 펌프 장치는, 여기서 고전압 PTC 가열 요소로서 구현되는 가열 장치(23)가 배터리 냉각 회로로부터 분리되어 AC 냉각제 회로에서 가열 열교환기(19)의 바로 상류에 배치되었다는 점에서, 도 1에 도시된 시스템과 상이하다. 상기 라인 내의 AC 냉각제 회로는 그 새로운 기능에 따라 이제 차량 객실 가열 회로라고 한다. 차량 객실 공기를 가열하는 경우 기능에 따라 열 운반체라고 하는 냉각제는 가열 장치(23)의 하류에서 가열 열교환기(19)를 통해 흘러 4/2-방향 밸브(35)에 도달한다. 추가의 4/2-방향 밸브(35)의 출구는 AC 냉각제 회로에서 응축기(3)의 냉각제 입구에 연결된다. 4/2-방향 밸브(35)의 나머지 2개의 연결부는 루프를 형성하고 냉각제-냉각제 열교환기(37)에 연결되며 그의 따뜻한 측면을 형성한다. 냉각제-냉각제 열교환기(37)의 차가운 측면은 배터리 냉각 회로 내에 통합되며, 상기 배터리 냉각 회로는 배터리를 가열하는 기능에 따라 이제 이와 관련하여 배터리 가열 회로라고 한다. 배터리 가열 회로에서, 배터리 열교환기(25), 냉각제 펌프(22), 3-방향 밸브(24) 및 5-방향 밸브(36)가 연결된다. 배터리 가열 회로는 칠러(12)에 의해 보완되고, 더 넓은 의미에서, 도 1과 유사하게 존재하는 전기 구동 트레인 냉각제 회로에 의해서도 보완된다. 5-방향 밸브(36)는 전기 구동 트레인 냉각제 회로의 개별 라인들을 연결하고 이 라인들을 상호 연결한다.
도 2에 따른 실시 예에서 AC 냉각제 회로는 도 1에 따른 실시 예와 유사하게 구현되며, 4/2-방향 냉각제 밸브(21)에 의해 AC 냉각제 라디에이터(20) 및 구동 트레인 냉각제 라디에이터(32)를 통한 직렬 유동을 도 1에 따른 공조 및 배터리 냉각 장치(1)의 기능과 유사하게 허용한다.
따라서, 배터리 냉각 회로로부터 차량 객실 가열 회로 내로 가열 장치(23)의 변경된 포지셔닝과 더불어, 냉각제-냉각제 열교환기(37)가 통합된 4/2-방향 밸브(35)가 추가된다. 이에 따라, 비교적 적은 장치 비용으로 전체 시스템의 기능이 상당히 향상된다. 구상에 따라, 이를 위해 가열 장치(23)만이 다른 위치에서 배터리 및 차량 객실에 직접 열을 공급하기 위해 배터리 가열 회로와 결합해서 사용된다. 이러한 방식으로, 압축기 고장에도 불구하고 차가운 온도에서 차량 객실의 가열이 보장된다. 특히 바람직하게는, 4/2-방향 밸브(35)가 가열 열교환기(19)의 출구에 배치되고, 열 운반체 흐름은 가열 열교환기(19)의 하류에서 간접 냉각제-냉각제 열교환기(37)를 통해 안내될 수 있다. 후자의 열교환기는 차량 객실 가열 회로로부터 배터리 가열 회로로 열을 전달하기 위해 사용된다.
따라서, 단일 가열 장치(23)는 차량 객실 가열 회로의 직접 가열을 위해 그리고 배터리 가열 회로의 간접 가열을 위해 사용될 수 있다. 또한, 냉매 회로의 열 펌프 모드에서, 냉매를 증발시키기 위한 추가의 기화열이 냉각제-냉각제 열교환기(37)를 통해 칠러(12)에 제공된다. 이 경우, 냉매 회로로부터의 과잉 응축 열이 AC 냉각제 회로를 통해 배터리 냉각제 회로 또는 배터리 가열 회로 내로 공급되어, 칠러(12)에서 기화열로서 또는 배터리를 가열하기 위한 열원으로서 사용될 수 있다.
시스템의 이러한 바람직한 확장에 의해, 차량 객실 가열 회로로부터의 과잉 열을 냉매 회로를 더 효율적으로 작동시키기 위해 사용하는 것이 가능하다.
도 3은 차량 객실 공기의 직접 가열을 위한 열 펌프 장치의 회로를 도시한다. 이를 위해, 차량 객실 가열 회로가 AC 냉각제 회로의 일부로서 연결된다. 냉각제 펌프(17)는 차량 객실 가열 회로를 구동하고 열 운반체는 3-방향 밸브(18)를 통해 가열 장치(23)에 도달한다. 거기서, 열 운반체가 가열되고, 차량 객실 공기로의 열 전달을 위해 차량의 에어 컨디셔닝 시스템(미도시)의 가열 열교환기(19) 내로 도달한다. 가열 열교환기(19)의 하류에서, 열 운반체는 4/2-방향 밸브(35)의 적절한 위치에서, 이 모드에서 작동하지 않는, 냉매 회로의 응축기(3)로 흐르고, 거기서부터 냉각제 펌프(17)로 흐르며, 회로는 폐쇄된다. 가열 장치(23)로부터의 열은 상응하는 손실을 제외하고, 가열 열교환기(19)에서 차량 객실 공기로 완전히 전달된다.
이 모드에서, 냉매 회로는 작동하지 않으므로, 공조 및 배터리 냉각 장치(1)의 열 펌프 기능은 제공되지 않는다.
도 4는 열 펌프 장치의 스위칭에 의한 공조 및 배터리 냉각 장치(1)의 확장을 도시하며, 차량 객실 가열 회로는 가열 열교환기(19)의 하류에서 4/2-방향 밸브(35)에, 냉각제-냉각제 열교환기(37)를 통합하기 위해 연결된다. 따라서, 차량 객실 가열 회로는 가열 열교환기(19) 뿐만 아니라 냉각제-냉각제 열교환기(37)에도 열을 공급하고, 상기 냉각제-냉각제 열교환기(37)는 상기 열을 그 차가운 측면에서 배터리 가열 회로로 전달한다. 배터리 가열 회로는 상기 냉각제-냉각제 열교환기(37), 이어서 이 모드에서 작동하지 않는 칠러(12) 및 배터리 열교환기(25)로 형성되고, 상기 배터리 열교환기(25)를 통해 상기 열은 배터리 전기 차량의 배터리의 최적 작동 온도를 달성하기 위해 상기 배터리로 전달된다. 배터리 열교환기(25)의 하류에서, 배터리 가열 회로 내부의 열 운반체는 냉각제 펌프(22)로 그리고 3-방향 밸브(24)를 통해 5-방향 밸브(36)로 그리고 거기서부터 냉각제-냉각제 열교환기(37)로 안내되고, 배터리 가열 회로는 폐쇄된다. 이 모드에서, 2개의 열 운반체 회로, 즉 차량 객실 가열 회로 및 배터리 가열 회로는 냉각제-냉각제 열교환기(37)를 통해 서로 열 결합되며, 가열 열교환기(19)를 위한 그리고 배터리 열교환기(25)를 위한 열 에너지는 가열 장치(23)를 통해 시스템 내로 도입된다.
1: 공조 및 배터리 냉각 장치 2: 압축기
3: 응축기 4: 팽창 요소
5: 주변 열교환기 6: 차단 밸브
7: 팽창 요소 8: 팽창 요소
9: 팽창 요소 10: 전방 증발기
11: 후방 증발기 12: 칠러
13: 저압 수집기 14: 차단 밸브
15: 체크 밸브 16: 체크 밸브
17: 냉각제 펌프 18: 3-방향 밸브
19: 가열 열교환기 20: A/C 냉각제 라디에이터
21: 4/2-방향 냉각제 밸브 22: 냉각제 펌프
23: 가열 장치 24: 3-방향 밸브
25: 배터리 열교환기 26: 차단 밸브
27: 3-방향 밸브 28: 냉각제 펌프
29: 인버터 30: 변환기
31: 전기 모터 열교환기 32: 구동 트레인 냉각제 라디에이터
33: 주변 공기 34: 3-방향 밸브
35: 4/2-방향 밸브 36: 5-방향 밸브
37: 냉각제-냉각제 열교환기 38: 바이패스

Claims (11)

  1. 차량 객실 가열 회로 및 배터리 가열 회로를 구비한 전기 차량용 열 펌프 장치로서, 상기 차량 객실 가열 회로는 열 운반체의 유동 방향으로, 가열 열교환기(19), 4/2-방향 밸브(35), 냉각제 펌프(17) 및 차량 객실 공기를 직접 가열하기 위한 가열 장치(23)를 포함하고, 냉각제-냉각제 열교환기(37)의 따뜻한 측면은 상기 배터리 가열 회로의 간접 가열을 위해 상기 4/2-방향 밸브(35)를 통해 상기 차량 객실 가열 회로에 연결되며, 상기 배터리 가열 회로는 배터리 열교환기(25), 냉각제 펌프(22) 및 상기 냉각제-냉각제 열교환기(37)를 포함하고, 상기 냉각제-냉각제 열교환기(37)의 차가운 측면은 상기 배터리 가열 회로 내에 통합되는 것을 특징으로 하는 열 펌프 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 차량 객실 가열 회로는 A/C 냉각제 회로 내에 그리고 상기 배터리 가열 회로는 공조 및 배터리 냉각 장치(1)의 전기 구동 트레인 냉각제 회로 내에 통합되고, 상기 A/C 냉각제 회로 및 상기 전기 구동 트레인 냉각제 회로는 4/2 방향 냉각제 밸브(21)를 통해 서로 연결되어, 상기 A/C 냉각제 회로 및 상기 전기 구동 트레인 냉각제 회로가 별도로 작동될 수 있거나 직렬로 흐를 수 있게 설계되고, 상기 A/C 냉각제 회로는 상기 차량 객실 가열 회로의 부품과 더불어 주변 공기(33)로 열 전달을 위한 적어도 하나의 A/C 냉각제 라디에이터(20) 및 응축기(3)를 포함하며, 상기 응축기(3)를 통해 상기 A/C 냉각제 회로가 냉매 회로에 열적으로 결합되고, 상기 전기 구동 트레인 냉각제 회로는 상기 배터리 가열 회로의 부품과 더불어, 냉각제 펌프(22), 상기 주변 공기(33)로 열 전달을 위한 구동 트레인 냉각제 라디에이터(32) 및 칠러(12)를 포함하며, 상기 칠러(12)를 통해 전기 구동 트레인 냉각제 회로가 상기 냉매 회로에 열적으로 결합되고, 상기 냉매 회로는 적어도 하나의 압축기(2), 상기 응축기(3), 상기 주변 공기(33)로 열 전달 또는 상기 주변 공기(33)로부터 열 흡수를 위한 주변 열교환기(5), 팽창 요소(9) 및 상기 칠러(12)를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 펌프 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 가열 열교환기(19)는 차량 객실을 가열하기 위해 상기 A/C 냉각제 라디에이터(20)와 병렬로 또는 상기 A/C 냉각제 라디에이터(20)에 대한 대안으로서 스위칭 가능하게 상기 A/C 냉각제 회로 내에 설계되는 것을 특징으로 하는 열 펌프 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 전기 구동 트레인 냉각제 회로 내에서 냉각제 펌프(28), 적어도 하나의 인버터(29) 및 적어도 하나의 전기 모터 열교환기(31)가 상기 배터리 열교환기(25)와 병렬로 흐를 수 있게 설계되는 것을 특징으로 하는 열 펌프 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 냉매 회로 내에서, 팽창 요소(4)는 상기 응축기(3)의 하류에 그리고 상기 주변 열교환기(5)의 상류에 배치되는 것을 특징으로 하는 열 펌프 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 냉매 회로 내에서, 상류에 접속된 관련 팽창 요소(7)를 가진 전방 증발기(10) 및 상류에 접속된 관련 팽창 요소(8)를 가진 후방 증발기(11)는 병렬로 연결되어 배치되고 저압 수집기(13)는 상기 냉매 회로 내에서 상기 압축기(2)의 상류에 배치되는 것을 특징으로 하는 열 펌프 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 전기 구동 트레인 냉각제 회로 내에 5-방향 밸브(36)가 배치되고, 상기 구동 트레인 냉각제 라디에이터(32), 상기 냉각제-냉각제 열교환기(37), 상기 배터리 열교환기(25), 상기 전기 모터 열교환기(31) 및 바이패스(38)가 상기 5-방향 밸브(36)에 연결되는 것을 특징으로 하는 열 펌프 장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 배터리 열교환기(25)와 병렬로 3-방향 밸브(24)를 통해 냉각제용 바이패스가 배치되는 것을 특징으로 하는 열 펌프 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 가열 장치(23)는 고전압 PTC 가열 요소로서 설계되는 것을 특징으로 하는 열 펌프 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 열 펌프 장치의 작동 방법으로서, 직접 차량 객실 가열을 위해, 냉각제 펌프(17), 3-방향 밸브(18), 가열 장치(23), 가열 열교환기(19)가 4-방향 밸브(35)를 통해 차량 객실 가열 회로 내에서 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 열 펌프 장치의 작동 방법.
  11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 열 펌프 장치의 작동 방법으로서, 간접 배터리 가열을 위해, 냉각제 펌프(17), 3-방향 밸브(18), 가열 장치(23), 가열 열교환기(19) 및 냉각제-냉각제 열교환기(37)의 따뜻한 측면이 4/2-방향 밸브(35)를 통해 차량 객실 가열 회로 내에서 직렬로 연결되고, 배터리 열교환기(25), 냉각제 펌프(22) 및 상기 냉각제-냉각제 열교환기(37)의 차가운 측면이 배터리 가열 회로 내에서 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 열 펌프 장치의 작동 방법.
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