KR20110074185A - 전기 자동차의 실내 난방 장치 및 이를 이용한 난방방법 - Google Patents

전기 자동차의 실내 난방 장치 및 이를 이용한 난방방법 Download PDF

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KR20110074185A
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Abstract

본 발명은 전기 자동차의 여러 장비에서 획득한 폐열을 선택적으로 자동차 실내 난방에 보조적으로 이용하는 난방 장치와 이를 이용한 난방 방법에 관한 것이다.
본 발명은 전기 자동차에서 작동 열이 발생하는 여러 장비에서 각 장비의 발열을 제어하기 위한 냉각 회로의 중간에 난방 장치로의 선택적 연결이 가능하도록 하여 자동차의 실내를 난방하는 시스템을 구현하고, 특히 이러한 시스템을 개별 히터를 이용한 분산형 독립 난방에 적용함으로써, 전기 자동차의 실내 난방에 필요한 전기 에너지를 최소화함과 동시에 전체적인 전기 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 전기 자동차의 난방 장치와 이를 이용한 난방 방법을 제공한다.
전기 자동차, 폐열, 난방, 분산 난방, 냉각 회로, 방향 전환 밸브

Description

전기 자동차의 실내 난방 장치 및 이를 이용한 난방방법{Heating apparatus for electrical vehicle and heating method using the same}
본 발명은 전기 자동차의 실내 난방 장치 및 이를 이용한 난방 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기 자동차의 여러 장비에서 획득한 폐열을 선택적으로 자동차 실내 난방에 보조적으로 이용하고, 이를 실내의 필요한 공간만 선택적으로 난방을 할 수 있는 난방 장치와 이를 이용한 난방 방법에 관한 것이다.
일반적으로 전기 자동차의 실내 난방은 전기 에너지를 이용하여 전기 히터 또는 전기 가열체를 원하는 온도까지 가열한 후 송풍기를 이용하여 실내로 공급하는 방식을 이용한다.
전기 자동차는 화석 연료인 기존의 자동차와는 달리 화석 연료를 연소하여 에너지를 얻지 않기 때문에, 자동차 실내 난방에 필요한 에너지를 전기 에너지에만 의존할 수밖에 없다.
그러나, 전기 자동차에서 동력원으로서의 전기 에너지뿐만 아니라 난방을 위한 전기 에너지 소비는 전기 자동차의 전체 효율을 저하시킬 수밖에 없다.
한편, 전기 자동차는 지속적으로 작동 열(폐열)이 발생하는 여러 장비에서 장비의 효율과 안전을 고려하여 각 장비의 발열을 제어해야 하며, 이를 위해 각 장비와 냉각 장치(라디에이터)를 서로 연결하여 각 장비에서 발생하는 폐열을 회수하는 냉각 회로가 구비되어 있다.
도 1은 종래 플러그인 하이브리드 전기 자동차의 변속기(트랜스미션부)와 모터 구동부의 구성과 냉각 회로를 도시한 예시도이다.
도 1에 도시된 전기 자동차의 변속기(트랜스 미션부)를 살펴보면, 엔진에서 회수한 폐열과 플러그인 하이브리드(Plug-in Hybrid) 드라이버 장치의 폐열은 서로 다른 회로로 구성되어 있는 것을 볼 수 있다.
이것은 각 장치의 독립성을 구현하면서 서로 다른 온도 수치를 가진 폐열에 대한 처리를 하기 위해서이다.
이와 같이, 종래의 전기 자동차는 실내 난방을 위해 배터리에서 공급하는 전기 에너지에만 의존하고 있으며, 전기 자동차에서 지속적으로 작동 열이 발생하는 배터리, 모터 및 변속기에서 발생하는 폐열을 단순히 대기로 방출하여 냉각하는 방법만 제안되고 있을 뿐, 이를 실내 난방을 위한 에너지로 활용하는 방안에 대한 연구는 전무한 실정이다.
참고로, 대한민국 특허공보 등록번호 제10-0853177호에서는 연료 전지에서 발생하는 폐열을 자동차의 실내 난방을 위한 보조적인 에너지원으로 활용하는 기술을 제안하고 있다.
그러나, 연료 전지용 자동차에 사용되는 연료 전지는 동작 중에 발열 반응을 통하여 열 발생이 많으므로 폐열 난방에 적당하지만, 리튬 등의 배터리 전력으로 구동하는 전기 자동차의 경우 상대적으로 배터리에서 발생하는 열이 연료 전지에 비하여 많지 않으므로 배터리에서 발생하는 폐열만으로 자동차 실내 전체를 난방하기 위한 에너지원으로 사용하기에는 한계가 있다.
한편, 종래의 자동차의 실내 난방의 경우는 중앙 집중식 난방 시스템을 적용함으로써 동승자의 탑승 여부와 상관없이 실내 전체를 난방하고 있어 불필요한 에너지원을 소비하는 문제가 있다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 전기 자동차에서 지속적으로 작동 열이 발생하는 장비인 배터리, 모터 및 변속기의 다양한 요소의 폐열을 활용하여 자동차의 실내 난방을 위한 보조 열원으로 사용함으로써, 실내 난방에서의 전기 에너지 사용을 줄여 전기 에너지의 손실을 최소화하고 전체적인 전기 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 전기 자동차의 난방 장치 및 이를 이용한 난방 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 전기 자동차의 여러 장비에서 발생하는 한정된 에너지를 효율적으로 활용하기 위해 실내의 필요한 공간에만 에너지를 제공하여 전기 자동차의 전체 효율과 운용 성능을 높일 수 있는 전기 자동차의 난방 장치 및 이를 이용한 난방 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 전기 자동차의 난방 장치는 전기 에너지를 이용하여 공기를 가열하는 전기 히터를 포함하여 가열된 공기를 자동차 실내로 강제 공급하는 실내 난방부; 전기 자동차에서 작동 열이 발생하는 장비의 폐열을 열매체를 통해 라디에이터로 회수하는 냉각 회로부; 상기 냉각 회로부에 연결되어 냉각 회로부를 경유하는 열매체를 바이 패스(by pass)시켜 상기 실내 난방부에 배속된 열교환기로 공급하여 상기 전기 히터와 별도로 공기를 가열한 후 공기와 열교환이 이루어져 냉각된 열매체를 상기 라디에이터로 회수하는 난방 회로부; 상기 냉각 회로부와 난방 회로부가 연결되는 지점에 설치되어 회수되는 열매체를 라디에이터 또는 열교환부로 선택적으로 공급하는 방향 전환 밸브를 포함하여, 설정된 난방 온도와 실제 실내 온도에 따라 상기 방향 전환 밸브를 선택적으로 전환시켜서 폐열을 이용한 난방과 전기를 이용한 난방을 선택적으로 병행하다.
또한, 이러한 폐열 에너지를 실내의 필요한 공간에만 제공하기 위해 실내 난방부의 전기 히터는 다수 개가 구비되고, 상기 열교환부는 상기 다수의 전기 중 어느 한 전기 히터와 한 조를 이루어 실내의 필요한 공간만 선택적으로 가열된 공기를 공급한다.
또한, 이러한 난방 장치를 이용한 난방방법은 난방 스위치의 온/오프(on/off)를 판단하는 단계; 상기 난방 스위치가 온(on)이면 설정 온도와 실내 온도를 비교하는 단계; 설정 온도가 실내 온도보다 높으면 폐열을 회수한 냉각 회로부의 열매체 온도를 감지하고, 이를 실내 온도와 비교하는 단계; 열매체의 온도가 실내의 온도보다 높으면 냉각 방향 전환 밸브가 회로부가 열교환부와 연결되는 방향으로 개방되도록 방향 전환 밸브를 온(on)하고, 열매체의 온도가 실내의 온도보다 낮으면 방향 전환 밸브가 냉각 회로부가 라디에이터와 연결되는 방향으로 개방되도록 방향 전환 밸브를 오프(off) 하는 단계; 를 포함하는 방법이다.
본 발명은 각 장비로부터 획득한 폐열을 이용하여 난방하는 방식과 전기 에 너지를 이용하여 전기 히터를 가열하여 난방하는 방식을 선택적으로 병행함으로써 폐열의 활용을 최대화 시키며 난방을 위한 전기 에너지의 소모를 최소화할 수 있다.
또한, 여러 장비로부터 획득한 폐열을 분산 제어형 독립 난방을 활용하여 자동차 난방에 필수 영역인 운전석만 선택적으로 활용하여 효과적으로 자동차 난방을 실시함과 동시에 에너지 효율을 높일 수 있게 된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 구현 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 2는 본 발명의 일 구현 예에 따른 전기 자동차의 실내 난방 장치에서 냉방 회로와 난방 회로의 열매체 전환 동작을 나타내는 동작도이고, 도 3은 본 발명의 일 구현 예에 따른 전기 자동차의 실내 난방 장치에서 실내 난방부에 전기 히터와 열교환부가 설치된 단면을 나타내는 개략도이다.
도 2와 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 전기 자동차의 실내 난방장치는 전기 자동차의 여러 장비에서 발생하는 작동 열(폐열)을 이용하는 난방 방식과 전기 에너지를 이용한 난방 방식을 선택적으로 병행함으로써 폐열의 활용을 최대화 시키면서 난방을 위한 전기 에너지의 소모를 최소화할 수 있는 구조로 이루어져 있다. 여기서, 작동 열이란 전기 자동차를 구성하는 장비의 구동에 의해 발생하는 폐열을 의미한다.
이를 위하여, 상기 전기 자동차의 실내 난방 장치는 가열된 공기를 실내로 강제 공급하는 실내 난방부(10)와, 장비의 폐열을 열매체를 통해 라디에이터(50)로 회수하는 냉각 회로부(20)와, 냉각 회로부(20)의 도중에 연결되어 냉각 회로부(20)에 흐르는 열매체를 실내 난방부(20)로 경유하여 라디에이터(50)로 회수하는 난방 회로부(30)로 구성된다.
실내 난방부(10)는 배터리에서 공급되는 전기 에너지를 이용하여 공기를 가열하는 전기 히터(70) 또는 전기 가열체를 포함하고, 장비의 폐열에 의해 가열된 열매체가 공기와 열교환하는 열교환기(40)가 배속되어, 가열된 공기를 자동차 실내로 강제 공급한다.
또한, 냉각 회로부(30)는 작동 열이 발생하는 장비와, 장비로부터의 폐열을 회수하여 대기로 방열하는 라디에이터(50)와, 장비와 라디에이터(50)를 서로 연결하여 열매체를 순환할 수 있는 냉각 도관(24)으로 이루어져 장비의 발열을 제어하는 구성이다.
본 발명은 장비의 발열 제어(냉각)뿐만 아니라, 장비에서 발생하는 폐열을 선택적으로 자동차 실내 난방에 활용할 수 있도록 난방 회로부(30)를 더 구비한 것이다.
이를 위해, 난방 회로부(30)는 냉각 회로부(20)에 연결되어 냉각 회로부(20)를 경유하는 열매체를 바이 패스(by pass)시켜 상기 실내 난방부(10)에 배속된 열교환기(40)로 공급하여 공기를 가열한 후에 열교환기(40)에서 열교환이 이루어진 열매체를 상기 라디에이터(50)로 회수하다. 여기서, 열교환기(40)는 상기 전기 히터(70) 또는 전기 가열체와 별도로 공기를 가열하는 구성이다.
이때, 냉각 회로부(20)에서 열교환기(40)로 열매체의 바이 패스는 냉각 도관(24)과 열매체의 연락이 가능하도록 일단이 냉각 도관(24)의 중간에 "T" 형태로 연결되고 타단이 열교환기(40)와 연결되는 난방 도관(34)에 의해 이루어진다.
여기서, 난방 도관(34)은 장비의 폐열에 의해 가열된 열매체가 순환하는 제 1 유로(34a)와 열교환기(40)에서 공기와 열교환되어 냉각된 열매체가 순환하는 제 2 유로(34b)가 각각 개별적으로 형성된다.
이를 위해 난방 도관(24)의 중간에는 제 1 유로(34a)와 제 2 유로(34b)를 상하 구획하는 구획부가 그 길이 방향으로 길게 형성되고, 제 1 유로(34a)는 열교환기의 열매체 유입구(40a)와 연결되며 제 2 유로(34b)는 열교환기(40)의 열매체 배출구(40b)와 각각 연결된다.
한편, 열교환기(40)는 그 내부를 흐르는 열매체가 공기와의 열교환 시간 및 면적을 증가시키기 위해 지그재그 형태로 굴곡진 형태의 배관이 연속적으로 이어진 구조이다.
또한, 본 발명은 사용자가 설정한 설정 온도와 실제 실내 온도에 따라 각 장비로부터 가열된 열매체가 라디에이터(50)로 바로 공급되거나 또는 열교환기(40)를 거쳐 라디에이터(50)로 공급되는 것을 선택적으로 병행하는 것을 특징으로 한다.
이를 위해, 냉각 도관(24)과 난방 도관(34)의 "T"자 형태로 연결되는 연결 지점에 열매체의 흐름 방향을 전환하기 위한 방향 전환 밸브(60)가 설치된다.
보다 상세하게, 상기 방향 전환 밸브(60)는 난방 도관(34)의 입구단에 설치되어 도 2에 도시된 도면을 기준으로 난방 도관(34)과 일직선 또는 수직 상태의 90°범위 내에서 회동한다.
이때, 방향 전환 밸브(60)가 온(ON) 상태에서는 방향 전환 밸브(60)는 난방 도관(34)과 일직선 상태를 유지하여 열매체 배관의 유로를 차단하며, 방향 전환 밸브(60)를 중심으로 그 상부는 장비 측에 설치된 냉각 도관(24)과 제 1 유로(34a)가 서로 연통되고, 그 하부는 라디에이터(50) 측의 냉각 도관(24)과 제 2 유로(34b)가 서로 연통된다. 따라서, 장비로부터 가열된 열매체가 냉각 도관(24)을 통해 제 1 유로(34a)로 바이 패스되어 열교환기(40)와 제 2 유로(34b)를 거쳐 라디에이터(50)로 회수된다.
방향 전환 밸브(60)가 오프(OFF) 상태에서는 방향 전환 밸브(60)는 난방 도관(34)과 수직한 상태를 유지하여 난방 도관(34)의 제 1 및 제 2 유로(34a)(34b)를 함께 차단하여, 장비로부터 가열된 열매체가 열교환기(40)를 경유하지 않고 라디에이터(50)로 바로 회수된다.
따라서, 본 발명은 실내 난방을 위해 전기 히터를 이용할 때 각 장비로부터 얻어진 폐열을 보조적으로 활용하여 사전에 열교환을 실내 온도를 상승시키기 때문에 종래 전기 에너지만으로 실내를 난방하는 난방 장치와 비교하여 상대적으로 적은 에너지 소모를 구현할 수 있다. 또한 설정된 실내 온도 이상이 되는 경우나 난방이 필요하지않는 경우에는 각 장비에서 실내 난방기로 연결된 난방 회로를 차단하고 바로 라디에이터와 직결하여 사용할 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 구현 예에 따른 전기 자동차의 실내 난방 장치를 나타내는 블록도와 개략도이다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명은 전기 자동차의 구동에 필수적인 배터리(100)와 모터(200)와 변속기(300)는 작동 중에 지속적으로 많은 열이 발생하므로 본 발명의 실내 난방의 보조 에너지원으로 활용하기 위한 장비로 채용하였다.
배터리(100)는 전기 화학적 반응에 전기를 생산하는데 이때 열이 수반되며, 이때 안정적인 배터리 관리를 위해 발생한 열을 관리하기 위해 열매체 냉각을 한다.
그리고 모터(200)는 전기 에너지를 기계적 에너지로 전환하는 장치로 전기적 회로와 함께 기계적 운동에서 발열이 지속되며, 이때 지속적인 발열은 절연 열화 등과 같은 전기적인 문제뿐만 아니라 기계적인 문제점을 유발시킬 수 있어, 장비의 효율과 안전을 고려해 실시간 형태로 점검하면서 열로 인해 상승한 모터 장비 자체를 일정 온도 이하로 낮추기 위해 열매체 냉각을 한다.
또한, 모터로부터 동력 에너지를 받아 구동장치를 구동하는 변속기(300) 역시 고속회전이 지속적으로 이루어지는 기계 장치로 발열을 제어하기 위한 열매체 냉각이 필요하다.
이때, 배터리(100)와 모터(200), 변속기(300)의 발열 온도는 각각 다르기 때문에, 열매체 냉각을 하기 위해 하나의 공통 라디에이터(50)를 이용하지만 각각의 장비들은 서로 독립적인 냉각 및 난방 폐회로 연결되도록 구성한다.
보다 상세하게, 냉각 회로부(20)는 배터리(100)에서 발생하는 폐열을 열매체를 통해 라디에이터(50)로 회수하는 배터리용 냉각 회로(21)와, 모터(200)에서 발생하는 폐열을 열매체를 통해 라디에이터(50)로 회수하는 모터용 냉각 회로(22)와, 변속기(300)에서 발생하는 폐열을 열매체를 통해 라디에이터(50)로 회수하는 변속기용 냉각 회로(23)가 서로 개별적으로 형성된 구성이다.
또한, 난방 회로부(30) 역시 상기 각 냉각 회로(21)(22)(23)와 개별적으로 연결되어 각 냉각 회로(21)(22)(23)에서 회수된 열매체를 서로 독립적으로 바이 패스시켜 공기를 가열하는 배터리용 열교환부(41), 모터용 열교환부(42) 및 변속기용 열교환부(43)로 공급한 후에 열교환된 열매체를 라디에이터(50)로 개별적으로 회수하는 배터리용 난방 회로(31), 모터용 난방 회로(32) 및 변속기용 난방 회로(33)가 서로 개별적으로 형성된 구성이다.
그리고, 방향 전환 밸브(60) 역시 서로 독립적으로 연결된 3개의 냉각 회로(21)(22)(23) 및 난방 회로(31)(32)(330에 각각 설치되어 서로 독립적으로 작동하게 된다.
따라서, 설정된 조건에 따라 하나 이상의 장비의 냉각 회로가 난방 회로에 연통될 수 있다. 즉, 각 냉각 회로부의 온도를 감지하여 현재의 실내 온도보다 높은 냉각 회로의 방향 전환 밸브만 만 온(0N)하여 난방 회로로 개방하고, 실내 온도보다 낮은 냉각 회로의 방향 전환 밸브는 오프(OFF)하여 난방 회로를 차단하고 바로 라디에이터와 직결하도록 구성한다.
또한, 실내가 설정된 온도 이상이 되는 경우나 난방이 필요하지않는 경우 모든 방향 전환 밸브를 오프(OFF)하여 난방 회로를 차단하고 바로 라디에이터와 직결하도록 구성할 수 있다.
한편, 배터리(100), 모터(200) 및 변속기(300)에서 발생하는 발열 온도는 서로 다르기 때문에 상대적으로 발열 온도가 낮은 배터리(100)는 공기를 이용하는 공랭식을 이용할 수 있으며 높은 발열 온도를 가지는 모터(200)나 변속기(300)는 다른 형태의 열매체를 활용하여 장비를 냉각하게 된다.
여기서, 설명되지 않은 구성 번호 82는 냉각 팬으로 대기 중의 공기를 강제 흡입하여 라이에이터(50)의 폐열과 열교환하도록 하는 구성이며, 구성 번호 81은 열교환기(40) 및/또는 전기 히터(70)에 의해 가열된 공기를 실내로 강제 송풍하기 위한 구성이며, 구성번호 83은 열매체가 오버플로우 되더라도 일시적으로 저장하기 위한 오버플로우 저장소이다,
이상에서는, 배터리, 모터 및 변속기가 서로 다른 냉각 및 난방 회로를 이루어진 구성을 설명하였지만, 부품의 절감 및 제한된 설치 장소를 효율적으로 활용하기 위해서, 열매체 및 난방 회로의 수는 가급적 적은 것이 바람직하다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 다른 구현 예에 따른 전기 자동차의 실내 난방 장치를 나타내는 개략도와 블록도이다.
도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 모터(200)와 변속기(300)는 발열 온도가 유사하로 서로 인접하게 배치되므로 동일한 열매체로 하나의 냉각 및 난방 회로로 구성한 것을 채용하였다.
보다 상세하게, 냉각 회로부(20)는 배터리(100)에서 발생하는 폐열을 공기를 통해 라디에이터(50)로 회수하는 배터리용 냉각 회로(21)와, 모터(200) 및 변속기(300)에서 발생하는 폐열을 액체 열매체를 통해 라디에이터(50)로 회수하는 모터 및 변속기용 냉각 회로(34)가 서로 개별적으로 형성된 구성이다.
또한, 난방 회로부(30) 역시 상기 각 냉각 회로(21)(24)와 개별적으로 연결되어 각 냉각 회로(21)(24)에서 회수된 열매체를 서로 독립적으로 바이 패스시켜 공기를 가열하는 배터리용 열교환부(41), 모터 및 변속기용 열교환부(44)로 공급한 후에 열교환된 열매체를 라디에이터(50)로 개별적으로 회수하는 배터리용 난방 회로(31)와 모터 및 변속기용 난방 회로(34)가 서로 개별적으로 형성된 구성이다.
한편, 본 발명에 따른 전기 자동차의 난방은 에너지 효율을 극대화하기 위해 하나의 히터를 이용한 전체 난방시스템보다 다수의 개별 히터를 이용한 분산형 독립 난방을 함으로써 필요한 공간만 선택적으로 난방을 제공할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 자동차 실내 공간을 운전석, 조수석, 및 뒷좌석 등으로 구분하고, 각 영역의 난방을 담당하는 전기 히터 또는 전기 가열체를 다수 개 설치한다.
이때, 장비의 폐열을 이용한 난방 회로는 자동차의 운행에서 난방의 수요가 가장 우선하는 운전석과 운전석 주위 영역을 담당하는 전기 히터 또는 전기 가열체와 한 조를 이루도록 구성한다.
따라서, 자동차 운전에 필수 요소인 운전자와 운전자 주위의 난방을 장비의 폐열을 이용하여 실시하며 보조적으로 전기 에너지를 이용한 전기 히터로 난방을 한다.
또한, 추가적으로 보조석이나 뒷자석 등에 동승자가 탑승하게 되는 경우에는 전기 에너지를 이용하여 나머지 전기 히터를 가동하여 추가로 요구되는 영역의 난방을 수행하게 된다.
이에 의해, 종래 중앙 집중형 난방 시스템의 경우는 난방 수요가 없는 공간만 선택적으로 난방을 제공할 수 있지만 본 발명의 분산형 독립 난방 시스템은 필요한 공간(운전석)만 선택적으로 난방을 제공하고, 더욱이 필요한 운전석만 난방을 하는 경우에는 전체를 난방하는 것에 비하여 많은 열에너지가 필요하지 않으므로 장비의 폐열만으로 충분히 난방을 할 수 있어 별도의 전기 에너지가 소모되지 않게 된다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 난방장치를 이용한 난방 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 9을 참조하여 난방 방법을 살펴보면 다음과 같이.
여기서, 난방 장치의 각종 온도 감지는 공지의 센서를 적용할 수 있으며, 난방 장치와 제어기 간의 신호 전송 방법 등은 당해 기술분야에서 통상적으로 알려져 있는 방법이라면 특별히 제한되지 않고 채택될 수 있다.
우선, 난방 스위치의 온/오프(on/off) 여부를 판단한다(S10).
난방 스위치가 온(on)된 상태에서 자동차의 실내에 설정된 온도(Ts)가 자동차의 실내 온도(Tr)보다 높은지 낮은지를 판단한다(S20). 실내 설정 온도(Ts)가 실내 온도(Tr)보다 낮은 경우에는 난방 장치는 오프(off)된다. 실내 설정 온도(Ts)가 실내 온도(Tr)보다 높은 경우에는 각 장비의 폐열 온도, 즉 각 장비의 폐열을 함유한 상태로 각 냉각 회로에 흐르는 열매체의 온도를 검출한다.
다음으로, 각 냉각 회로의 열매체 온도가 실내 온도(Tr)보다 높은지 낮은지를 판단한다(S30).
보다 상세하게, 배터리용 냉각 회로에 흐르는 열매체 온도(T1)가 실내 온도(Tr)보다 높은지 낮은지, 또한 모터용 냉각 회로에 흐르는 열매체 온도(T2)가 실내 온도(Tr)보다 높은지 낮은지, 또한 변속기용 냉각 회로에 흐르는 열매체 온도(T3)가 실내 온도(Tr)보다 높은지 낮은지 여부를 판단한다.
여기서, 실내 온도(Tr)보다 높은 열매체가 흐르는 냉각 회로가 있는 경우에는 해당 냉각 회로에 설치된 방향 전환 밸브가 온(on)되어 난방 회로를 개방하여 열매체가 열교환부를 경유하여 라디에이터로 순환하게 한다. 열교환부에 의해 가열된 공기는 송풍팬에 의해 실내로 강제 공급된다.
이때, 라디에이터의 냉각팬의 가동을 정지시켜 난방 회로로 더 높은 열매체를 공급함과 동시에 라디에이터 냉각팬에 공급되는 전원만큼의 전기 에너지를 차단하여 에너지를 절약할 수 있다.
또한, 실내 온도(Tr)보다 낮은 열매체가 흐르는 냉각 회로가 있는 경우에는 해당 냉각 회로에 설치된 방향 전환 밸브가 오프(off)되어 난방 회로를 난방 회로를 차단하고 열매체가 바로 라디에이터로 순환하도록 한다.
이에 의해, 전기 자동차의 구동에 필수적인 배터리와 모터와 변속기의 작동 중에 발생하는 폐열을 일정 조건하에 선택적으로 실내 난방에 이용할 수 있다.
상기와 같이, 각 장비의 폐열을 이용하여 실내 난방이 이루어진 이후에, 설정 온도(Ts)와 실내 온도가 높은지 낮은지를 판단한다(S40).
설정 온도(Ts)가 실내 온도(Tr)보다 낮은 경우에는 난방장치가 오프(off)된다.
한편, 설정 온도(Ts)가 실내 온도(Tr)보다 높은 경우에는 난방장치가 온(on)되어 부족분의 열량을 전기 에너지를 이용한 전기 히터의 가열을 통해 보충한다.
도 10은 분산형 독립 난방 시스템을 이용한 난방 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 10을 참조하여 난방 방법을 살펴보면 다음과 같다.
우선, 난방 스위치의 온/오프(on/off) 여부를 판단한다.
난방 스위치가 온(on)되면, 운전석 영역의 난방만을 선택하였는지 판단을 한다. 운전석 영역의 난방을 선택한 경우에 운전석에 설정된 온도가 운전석의 실제 온도보다 높은지 낮은지를 판단한다.
운전석 설정 온도(Ts)가 운전석 실제 온도(Tp)보다 낮은 경우에는 도 9에서 설명한 난방 방법의 S30 단계의 이후의 방법과 동일한 방법으로 실내를 난방하게 된다.
다만, 각 냉각 회로의 열매체 온도(T1)(T2)(T3)의 비교 대상이 실내의 전체 온도가 아니라 운전석 영역에 측정된 온도(Tp)와 비교하는 것에 차이가 있으며, 각 장비의 폐열 이용 난방 회로는 다수의 전기 히터 중 어느 한 전기 히터와 한 조를 이루어 운전석 난방을 수행하는 점에 차이가 있다.
다음으로, 운전석 영역의 난방을 선택하지 않은 경우 실내 전체에 설정된 온도(Ts)가 전체 실내 온도(Tr)보다 높은지 낮은지를 판단한다.
실내 설정 온도(Ts)가 실내 실제 온도(Tr)보다 낮은 경우에는 역시 도 9에서 설명한 난방 방법의 S30 단계의 이후의 방법과 동일한 방법으로 실내를 난방하게 된다.
다만, 각 장비의 폐열 이용 난방 회로는 다수의 전기 히터 중 어느 한 전기 히터와 한 조를 이루어 운전석 난방을 수행하고, 나머지 전기 히터는 단독으로 조수석 및 뒷좌석의 난방을 개별적으로 수행하는 점에 차이가 있다.
도 1은 종래 플러그인 하이브리드 전기 자동차의 변속기(트랜스미션부)와 모터 구동부의 구성과 냉각 회로를 도시한 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현 예에 따른 전기 자동차의 실내 난방 장치에서 냉방 회로와 난방 회로의 열매체 전환 동작을 나타내는 동작도이다.
도 3은 본 발명의 일 구현 예에 따른 전기 자동차의 실내 난방 장치에서 실내 난방부에 전기 히터와 열교환부가 설치된 단면을 나타내는 개략도이다.
도 4 와 도 5는 본 발명의 일 구현 예에 따른 전기 자동차의 실내 난방 장치를 나타내는 블록도와 개략도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 다른 구현 예에 따른 전기 자동차의 실내 난방 장치를 나타내는 블록도와 개략도이다.
도 8은 본 발명의 일 구현에 따른 전기 자동차의 분산형 독립 실내 난방 장치를 나타내는 개념도이다.
도 9는 본 발명의 일 구현예에 따른 전기 자동차의 난방장치를 이용한 난방 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 일 구현예에 따른 전기 자동차의 분산형 독립 난방장치를 이용한 난방 방법을 나타내는 흐름도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10 : 실내 난방부 20 : 냉각 회로부
30 : 난방 회로부 40 : 열교환기
50 : 라디에이터 60 : 방향전환밸브
70 : 전기 히터 100 :배터리
200 : 모터 300 : 변속기

Claims (8)

  1. 전기 자동차의 실내 난방 장치에 있어서,
    전기 에너지를 이용하여 공기를 가열하는 전기 히터를 포함하여 가열된 공기를 자동차 실내로 강제 공급하는 실내 난방부;
    전기 자동차에서 작동 열이 발생하는 장비의 폐열을 열매체를 통해 라디에이터로 회수하는 냉각 회로부;
    상기 냉각 회로부에 연결되어 냉각 회로부를 경유하는 열매체를 바이 패스(by pass)시켜 상기 실내 난방부에 배속된 열교환기로 공급하여 상기 전기 히터와 별도로 공기를 가열한 후 공기와 열교환이 이루어져 냉각된 열매체를 상기 라디에이터로 회수하는 난방 회로부; 및
    상기 냉각 회로부와 난방 회로부가 연결되는 지점에 설치되어 회수되는 열매체를 라디에이터 또는 열교환부로 선택적으로 공급하는 방향 전환 밸브;를 포함하여,
    설정된 난방 온도와 실제 실내 온도에 따라 상기 방향 전환 밸브를 선택적으로 전환시켜서 폐열을 이용한 난방과 전기를 이용한 난방을 선택적으로 병행하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 실내 난방 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 냉각 회로부는 배터리에서 발생하는 폐열을 라디에이터로 회수하는 배터리용 냉각 회로와, 모터에서 발생하는 폐열을 라디에이터로 회수하는 모터용 냉각 회로와, 변속기에서 발생하는 폐열을 라디에이터로 회수하는 변속기용 냉각 회로로 구성되고,
    상기 난방 회로부는 상기 각 열매체 회로와 개별적으로 연결되어 각 냉각 회로에서 회수된 열매체를 서로 독립적으로 공기와 열교환하는 배터리용 열교환부, 모터용 열교환부 및 변속기용 열교환부로 공급한 후 공기와 열교환이 이루어져 냉각된 열매체를 상기 라디에이터로 개별적으로 회수하는 배터리용 난방 회로, 모터용 난방회로 및 변속기용 난방 회로로 구성되고,
    상기 방향 전환 밸브는 각 냉각 회로와 각 난방회로가 합류되는 지점에 각각 설치되는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 실내 난방 장치
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 냉각 회로부는 배터리에서 발생하는 폐열을 라디에이터로 회수하는 배터리용 냉각 회로와, 모터 및 변속기에서 발생하는 폐열을 라디에이터로 회수하는 모터 및 변속기용 냉각 회로로 구성되고,
    상기 난방 회로부는 상기 각 열매체 회로와 개별적으로 연결되어 각 냉각 회로에서 회수된 열매체를 서로 독립적으로 공기와 열교환하는 배터리용 열교환부, 모터 및 변속기용 열교환부로 공급한 후 공기와 열교환이 이루어져 냉각된 열매체를 상기 라디에이터로 개별적으로 회수하는 배터리용 난방 회로와 모터 및 변속기용 난방 회로로 구성되고,
    상기 방향 전환 밸브는 각 냉각 회로와 각 난방회로가 합류되는 지점에 각각 설치되는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 실내 난방 장치
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 실내 난방부의 전기 히터는 다수 개가 구비되고, 상기 열교환부는 상기 다수의 전기 중 어느 한 전기 히터와 한 조를 이루어 실내의 필요한 공간만 선택적으로 가열된 공기를 공급할 수 있는 분산형 독립 난방이 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 실내 난방 장치.
  5. 청구항 1의 전기 자동차의 실내 난방 장치를 이용하여 난방하는 방법에 있어서,
    난방 스위치의 온/오프(on/off)를 판단하는 단계;
    상기 난방 스위치가 온(on)이면 설정 온도와 실내 온도를 비교하는 단계;
    설정 온도가 실내 온도보다 높으면 폐열을 회수한 냉각 회로부의 열매체 온도를 감지하고, 이를 실내 온도와 비교하는 단계;
    열매체의 온도가 실내의 온도보다 높으면 냉각 방향 전환 밸브가 회로부가 열교환부와 연결되는 방향으로 개방되도록 방향 전환 밸브를 온(on)하고, 열매체의 온도가 실내의 온도보다 낮으면 방향 전환 밸브가 냉각 회로부가 라디에이터와 연결되는 방향으로 개방되도록 방향 전환 밸브를 오프(off) 하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 난방 방법.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 방향 전환 밸브가 온(on)된 경우, 설정 온도와 실내 온도를 비교하여 설정 온도가 실내 온도보다 높으면 전기 히터를 온(on)하여 상 기 열교환부와 함께 실내 난방하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 난방 방법.
  7. 청구항 5에 있어서, 실내 내부를 다수의 영역으로 구획하여 각 영역마다 개별적 난방을 수행하도록 전기 히터가 각 영역 수만큼 구비되고, 난방이 필요한 공간을 선택하는 경우 해당 공간만 난방이 이루어지는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 난방 방법.
  8. 청구항 7에 있어서, 실내 내부를 운적석과 운전석 이외의 영역으로 구획하여 각 영역마다 개별적 난방을 수행하도록 전기 히터를 각 영역 수만큼 구비되고, 열교환부는 운전석을 난방하는 전기 히터와 한 조를 이루어 운전석의 난방을 보조하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 실내 난방 방법.
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