KR20110134213A

KR20110134213A - 친환경차량의 통합 열관리 시스템

Info

Publication number: KR20110134213A
Application number: KR1020100054071A
Authority: KR
Inventors: 김재웅
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2010-06-08
Filing date: 2010-06-08
Publication date: 2011-12-14
Also published as: KR101558611B1

Abstract

본 발명은 자동차의 열 관리 시스템에 관한 것으로서, 순수 전기자동차, 하이브리드 자동차, 연료전지 자동차와 같은 친환경 전기자동차에서 발열부품의 냉각 및 차량의 실내 공조를 통합적으로 수행하는 친환경차량의 통합형 열관리 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 차량의 실내 온도를 제어하기 위한 공조장치와, 차량의 발열부품을 냉각하기 위한 냉각장치가 통합된 형태로 구성되어, 냉각수 열교환에 의한 고효율의 열 관리를 수행할 수 있고, 증발기에서의 응축수 발생을 해소할 수 있는 친환경차량의 통합 열관리 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다. 상기한 목적을 달성하기 위하여, 차량의 발열부품을 냉각하기 위한 수냉식 냉각장치와, 차량의 실내 냉방을 위한 냉매 순환식 냉방장치의 응축기와, 제1냉각수의 방열을 위한 라디에이터를 제1냉각수라인상에 배치하여 제1냉각수가 상기 제1냉각수라인을 따라 수냉식 냉각장치, 응축기, 라디에이터를 순환하도록 구성되는 한 1차 열교환 계통부를 포함하고, 상기 1차 열교환 계통부는 제1냉각수라인을 따라 순환하는 제1냉각수를 수냉식 냉각장치의 부품 냉각을 위한 냉각 매체와, 응축기의 냉매 냉각을 위한 냉각 매체로 통합 이용하도록 된 것을 특징으로 하는 친환경차량의 통합 열관리 시스템이 개시된다.

Description

친환경차량의 통합 열관리 시스템{Integrated heat management system of clean car}

본 발명은 친환경차량에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 순수 전기자동차, 하이브리드 자동차, 연료전지 자동차와 같은 친환경 전기자동차에서 발열부품의 냉각 및 차량의 실내 공조를 통합적으로 수행하는 친환경차량의 통합형 열관리 시스템에 관한 것이다.

오늘날 가솔린이나 디젤 등과 같은 화석연료를 연료로 사용하는 일반 내연기관 자동차는 배기가스로 인한 환경오염, 이산화탄소로 인한 지구온난화, 오존 생성 등으로 인한 호흡기 질환 유발 등과 같은 많은 문제점을 가지고 있다. 그리고, 지구상에 존재하는 화석연료는 그 양이 한정되어 있기 때문에 언젠가는 고갈될 수 있는 것이 현실이다.

상기한 문제점을 해결하기 위하여, 전기모터를 구동시켜 주행하는 순수 전기자동차(Electric Vehicle, EV)나, 엔진과 전기모터로 주행하는 하이브리드 자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 연료전지에서 생성되는 전력으로 전기모터를 구동시켜 주행하는 연료전지 자동차(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV) 등의 전기자동차가 개발되어 왔다.

상기와 같은 전기자동차는 환경문제와 자원고갈의 문제를 최소화할 수 있는 저공해 친환경차량(하이브리드 자동차) 또는 완전히 해결할 수 있는 무공해 친환경차량(순수 전기자동차 및 연료전지 자동차)으로서, 차량을 구동시키기 위한 전기모터와 더불어 전기모터에 전력을 공급하는 축전수단으로서 배터리(고전압 배터리)를 포함하며, 또한 전기모터를 회전시키기 위한 인버터가 구비된다.

연료전지 자동차의 경우 배터리와 같은 축전수단이 주동력원인 연료전지와 병렬로 연결되는 보조동력원으로 사용되며, 보조동력원으로 배터리 외에 수퍼캡(supercapacitor)이 구비된 연료전지 하이브리드 시스템도 개발되고 있다.

상기 인버터는 제어기에서 인가되는 제어신호에 따라 축전수단(또는 연료전지)에서 공급되는 전원을 상 변환시켜 모터를 구동시키게 된다.

그 밖에 전기자동차에는 전력 변환을 위한 컨버터가 탑재되는데, 예컨대 고전압 배터리(메인 배터리)와 저전압 배터리(보조 배터리) 간의 전력 변환을 위한 저전압 DC-DC 컨버터(Low Voltage DC-DC Converter, LDC)가 탑재되고 있다.

한편, 일반 내연기관 자동차와 마찬가지로 전기자동차, 즉 친환경차량의 경우에도 고전압 부품 등의 각종 부품에서 에너지 손실에 의해 열이 발생하고 있으므로 이를 냉각시키는 냉각장치가 필요하고, 또한 차량 실내의 열적 쾌적성을 제공하기 위하여 냉난방 공조장치가 구비되고 있다.

특히, 전기자동차에서 각종 전력전자부품(PE(Power Electronics) 부품), 예를 들면 모터(구동모터, 라디에이터 팬 모터 등)나 DC-DC 컨버터, 인버터 등의 부품을 포함한 구동계나 고전압 배터리 등에는 자체 발열에 대응하기 위한 물관을 구비한 뒤, 이 물관을 통해 냉각수를 공급 및 순환시켜 냉각수가 해당 부품으로부터 나오는 열을 흡수하도록 하는 수냉식 냉각장치가 구성되어 있다.

또한 전기자동차에는 차량 실내의 열적 쾌적성을 제공하기 위한 공조장치, 즉 전기히터를 통해 실내 난방을 수행하는 난방장치(열전달 매체로 물을 사용함)와, 냉매 순환을 통해 실내 냉방을 수행하는 냉방장치가 구성되어 있다.

그러나, 전기자동차의 냉각장치는 내연기관의 냉각장치와는 달리 시스템 특성상 냉각수의 작동온도가 낮으며, 이로 인해 열교환기, 즉 라디에이터의 방열 효율이 떨어진다.

도 1은 내연기관 자동차와 전기자동차의 동일 라디에이터 사양에서 냉각수의 작동온도에 따른 라디에이터 방열 성능을 비교하여 나타낸 예시도로서, 내연기관 자동차와 전기자동차의 ITD 및 냉각수 유량에 따라 방열 성능의 차이를 보여주고 있다.

도 1에서 ITD(Inlet Temperature Difference)는 라디에이터 유입구측 온도차를 나타내는 것으로서, 라디에이터로 유입되는 냉각수와 냉각수를 냉각시키기 위해 유입되는 공기의 온도차를 나타내며, 전기자동차의 경우 냉각수의 온도가 내연기관 자동차에 비해 낮기 때문에 동일 라디에이터 사양에서 방열량이 상대적으로 적다.

그리고, 차량의 실내 온도 제어를 위하여 공조장치의 증발기에 열교환 매체인 공기를 통과시켜야 하므로 증발기의 온도를 낮게 유지시켜야 하고, 이에 응축수로 인한 세균이 증발기에 번식하여 냄새를 발생시키는 문제가 있는 바, 이를 극복하기 위하여 공조장치와 냉각장치를 통합하는 시스템의 필요성이 대두되었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 발명한 것으로서, 차량의 실내 온도를 제어하기 위한 공조장치와, 차량의 발열부품을 냉각하기 위한 냉각장치가 통합된 형태로 구성되어, 냉각수 열교환에 의한 고효율의 총합적인 열 관리를 수행할 수 있고, 증발기에서의 응축수 발생을 해소할 수 있는 친환경차량의 통합 열관리 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 차량의 발열부품을 냉각하기 위한 수냉식 냉각장치와, 차량의 실내 냉방을 위한 냉매 순환식 냉방장치의 응축기와, 제1냉각수의 방열을 위한 라디에이터를 제1냉각수라인상에 배치하여 제1냉각수가 상기 제1냉각수라인을 따라 수냉식 냉각장치, 응축기, 라디에이터를 순환하도록 구성되는 한 1차 열교환 계통부를 포함하고, 상기 1차 열교환 계통부는 제1냉각수라인을 따라 순환하는 제1냉각수를 수냉식 냉각장치의 부품 냉각을 위한 냉각 매체와, 응축기의 냉매 냉각을 위한 냉각 매체로 통합 이용하도록 된 것을 특징으로 하는 친환경차량의 통합 열관리 시스템을 제공한다.

바람직한 실시예에서, 상기 1차 열교환 계통부는, 제1냉각수를 통과시켜 발열부품의 냉각을 수행하는 냉각장치와; 제1냉각수와 실내 냉방을 위한 냉매를 통과시켜 제1냉각수와 냉매 간의 열교환이 이루어지는 냉매 순환식 냉방장치의 수냉식 응축기와; 제1냉각수를 통과시켜 제1냉각수의 열을 방열시키기 위한 라디에이터 및 라디에이터 팬과; 상기 냉각장치와 응축기, 라디에이터 사이에 제1냉각수가 순환되도록 연결되는 제1냉각수라인과; 상기 제1냉각수라인에서 제1냉각수를 압송하여 순환시키는 제1워터펌프;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 1차 열교환 계통부는, 제1냉각수를 응축기를 통과하지 않도록 바이패스시키기 위해 제1냉각수라인에 설치되는 바이패스라인과; 상기 응축기를 통과하는 경로와 바이패스라인을 통과하는 경로 사이에서 제1냉각수의 흐름 방향을 제어하기 위한 바이패스밸브;를 더 포함하여 구성될 수 있다.

또한 상기 바이패스밸브의 구동을 제어하도록 구비되는 제어기가 냉매 순환식 냉방장치를 구성하는 압축기의 오프 상태인 경우 바이패스라인을 열어주고 응축기로의 냉각수 경로를 차단하도록 바이패스밸브를 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 1차 열교환 계통부에 냉매 순환식 냉방장치를 매개로 연결되는 차량 실내 공조용 2차 열교환 계통부를 더 포함하며, 상기 2차 열교환 계통부는 차량의 실내 난방을 위한 전기히터와, 차량의 실내 냉방을 위한 냉매 순환식 냉방장치의 증발기와, 차량의 냉난방 실내 공조를 위한 공조용 열교환기를 제2냉각수라인상에 배치하여 상기 제2냉각수라인을 따라 차량의 실내 공조용 열전달 매체인 제2냉각수가 상기 전기히터, 증발기, 공조용 열교환기를 따라 순환하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 2차 열교환 계통부는, 제2냉각수를 통과시켜 제2냉각수를 가열하는 전기히터와; 제2냉각수와 냉매를 통과시켜 제2냉각수와 냉매 간의 열교환이 이루어지는 냉매 순환식 냉방장치의 증발기와; 제2냉각수를 통과시켜 제2냉각수와 공기의 열교환이 이루어지면서 차량 실내에 제2냉각수와 열교환된 공기를 토출시키기 위한 공조용 열교환기 및 공조용 팬과; 상기 전기히터와 증발기, 공조용 열교환기 사이에 제2냉각수가 통과하도록 연결되는 제2냉각수라인과; 상기 제2냉각수라인에서 냉각수를 압송하여 순환시키는 제2워터펌프;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 공조용 열교환기로 유입되는 제2냉각수의 온도를 검출하기 위한 수온센서가 설치되고, 제어기가 상기 수온센서의 검출값에 기초하여 상기 냉매 순환식 냉방장치를 구성하는 압축기의 회전속도와 상기 전기히터의 발열량을 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한 제어기가 실내온 센서로부터 검출되는 차량 실내 온도와 목표 실내 온도에 기초하여 상기 냉매 순환식 냉방장치를 구성하는 압축기의 회전속도, 상기 전기히터의 발열량, 및 상기 제2워터펌프의 회전속도를 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제1냉각수라인에는 제1냉각수의 온도를 검출하기 위한 수온센서가 설치되고, 제어기가 상기 수온센서의 검출값에 기초하여 라디에이터 팬 및 제1워터펌프의 회전속도를 제어하는 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 본 발명에 따른 친환경차량의 통합 열관리 시스템에 의하면, 냉각장치와 공조장치의 통합을 통한 효율적인 열관리가 수행될 수 있으므로 라디에이터의 방열 특성을 개선하는 것은 물론 차량의 연비 향상에 기여할 수 있게 된다.

또한 증발기가 실내 공조용 열전달 매체로 냉각수를 사용하게 되면서 실내 온도 제어 과정 동안 증발기의 온도를 상대적으로 높게 유지할 수 있는 바, 증발기에서의 응축수 발생으로 인한 문제, 세균 번식 및 냄새 발생의 문제를 원천적으로 방지할 수 있고, 냄새를 차단하기 위한 필터가 불필요해진다.

또한 본 발명에서는 공냉식 라디에이터와 수냉식 응축기가 냉각수라인을 통해 직렬로 연결되므로 응축기의 위치에 있어서 특별한 제약이 없게 된다.

도 1은 내연기관 자동차와 전기자동차의 동일 라디에이터 사양에서 냉각수의 작동온도에 따른 라디에이터 방열 성능을 비교하여 나타낸 예시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 친환경차량의 통합 열관리 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 친환경차량의 통합 열관리 시스템의 제어 계통을 나타내는 블럭도이다.
도 4는 본 발명에 따른 통합 열관리 시스템의 제어상태를 나타내는 순서도이다.
도 5는 본 발명에 따른 통합 열관리 시스템에서 목표 실내 온도와 실내 온도의 차이에 따라 전기히터의 발열량 및 제2워터펌프의 회전속도가 제어되는 상태를 예시한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 통합 열관리 시스템에서 라디에이터에 유입되는 제1냉각수의 온도에 따라 라디에이터 팬의 회전속도와 제1워터펌프의 회전속도가 제어되는 상태를 예시한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 통합 열관리 시스템에서 목표 실내 온도와 실내 온도의 차이에 따라 압축기의 구동속도가 제어되는 상태를 예시한 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 순수 전기자동차(EV)나 하이브리드 자동차(HEV), 연료전지 자동차(FCEV) 등의 친환경차량에서 냉각장치와 공조장치(냉방장치 및 난방장치)를 통합하여 구성한 통합형 열관리 시스템에 관한 것이다.

특히, 본 발명에서는 차량 내 발열부품의 냉각을 위한 수냉식 냉각장치의 냉각 매체와 차량의 실내 냉방을 위한 냉매 순환식 냉방장치의 응축기에서 사용되는 냉각 매체를, 하나의 라인을 따라 냉각장치, 응축기(수냉식이 됨), 라디에이터 사이에서 순환하는 부품 냉각용 냉각수(제1냉각수)로 통합하여 냉각 매체가 통합된 1차 열교환 계통부를 구성하는 것에 주된 특징이 있다.

또한 본 발명에서는 차량의 실내 공조를 위하여 냉방장치의 냉기와 난방장치(전기히터 등 사용)의 열기를 별도 라인을 따라 냉방장치의 증발기와 차량의 냉난방 실내 공조를 위한 공조용 열교환기 사이에서 순환하는 공조용 냉각수(제2냉각수)를 통해 전달함으로써 실내 온도를 제어할 수 있도록 한 2차 열교환 계통부가 구성되며, 상기한 1차 열교환 계통부와 2차 열교환 계통부가 냉매 순환식의 냉방장치를 매개로 하여 냉매사이클 상에서 통합 연결됨으로써 냉각수 열교환에 의한 고효율 방식의 총합적인 열 관리를 수행할 수 있는 통합형 열관리 시스템이 구성된다.

도 2는 본 발명에 따른 친환경차량의 통합 열관리 시스템을 나타내는 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 친환경차량의 통합 열관리 시스템의 제어 계통을 나타내는 블럭도이다.

우선, 1차 열교환 계통부는, 제1냉각수(부품 냉각용 냉각수)를 통과시켜 PE 부품 등 차량 내 발열부품을 냉각하기 위한 냉각 매체로 사용하는 수냉식 냉각장치(11)와, 제1냉각수와 실내 냉방을 위한 냉매를 통과시켜 제1냉각수와 냉매 간의 열교환이 이루어지도록 구비되고 제1냉각수를 냉매 냉각을 위한 냉각 매체로 사용하는 냉매 순환식 냉방장치의 수냉식 응축기(22)와, 제1냉각수를 통과시켜 제1냉각수의 열을 방열시키기 위한 공냉식 라디에이터(12) 및 라디에이터 팬(13)과, 상기 냉각장치(11)와 응축기(22), 라디에이터(12) 사이에 제1냉각수가 순환되도록 연결되는 제1냉각수라인(15)과, 제1냉각수라인(15)에서 제1냉각수를 압송하여 순환시키는 제1워터펌프(14)(전동식 워터펌프임)를 포함하여 구성된다.

바람직하게는, 1차 열교환 계통부가 제1냉각수를 응축기(22)를 통과하지 않도록 바이패스시키기 위해 제1냉각수라인(15)에 설치되는 바이패스라인(16)과, 상기 바이패스라인(16)의 입구부에 설치되어 응축기(22)를 통과하는 경로와 바이패스라인(16)을 통과하는 경로 사이에서 제1냉각수의 흐름 방향을 절환시키기 위한 바이패스밸브(17)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

이와 더불어, 라디에이터(12)의 입구측에서 제1냉각수라인(15)을 통해 유입되는 제1냉각수의 온도를 검출하기 위한 제1입구측 수온센서(18)가 설치되고, 추가로 발열부품 냉각용 냉각장치(11)로부터 배출되는 제1냉각수의 온도를 검출하기 위한 출구측 수온센서(19)가 설치될 수 있다.

상기 응축기(22)는 팽창밸브(23), 증발기(24), 압축기(25)와 함께 차량의 냉방장치를 구성하는 것으로, 제1냉각수라인(15)에서 차량의 발열부품 냉각을 위한 냉각장치(11)와 냉각수 방열을 위한 라디에이터(12)에 직렬로 연결된다.

냉매 순환식의 냉방장치에서는 냉매가 냉매라인(21)을 통해 응축기(22), 팽창밸브(23), 증발기(24), 압축기(25)를 통과하도록 되어 있으며, 본 발명에서 냉매가 통과하는 각 구성부의 기능은 통상의 냉방장치와 비교하여 차이가 없으나, 응축기(22)를 통과하는 냉매는 응축기를 통과하는 1차 열교환 계통부의 제1냉각수와 열교환되고, 증발기(24)를 통과하는 냉매는 증발기를 통과하는 2차 열교환 계통부의 제2냉각수와 열교환된다.

전기자동차의 냉방장치에서 압축기(25)는 통상적으로 제어기(100)의 제어신호에 따라 구동이 제어되는 전동식으로 구비된다.

상기 바이패스밸브(17)는 제어기(100)의 제어신호에 따라 구동이 제어되는 전자식 밸브이다.

이에 따라, 상기 제어기(100)는 압축기(25)의 작동 유무에 따라 바이패스밸브(17)의 구동을 제어하여 제1냉각수가 흐르는 경로를 응축기(22)를 통과하는 경로와 바이패스라인(16)을 통과하는 경로 중 어느 한쪽으로 선택 절환시키는데, 특히 실내 냉방이 이루어지지 않는 경우 냉매 순환을 위한 압축기(25)의 작동이 중지되므로 제1냉각수를 바이패스라인(16)을 통해 바이패스시켜 응축기(22)로 인한 유동 저항을 줄이고 제1워터펌프(14)의 소비전력을 줄이게 된다.

또한 상기 제어기(100)는 바이패스밸브(17)의 구동을 제어하여 부품 냉각용 냉각수인 제1냉각수의 흐름을 제어하는 것과 더불어, 제1워터펌프(14)의 구동 제어 및 회전속도를 제어하는데, 특히 제1워터펌프(14)의 회전속도를 제어함으로써 제1냉각수의 유량을 제어하고, 라디에이터 팬(13)의 회전속도를 제어하여 라디에이터(12)에서의 방열량을 제어하게 된다.

이때, 제어기(100)는 라디에이터(12)로 유입되는 냉각수의 온도를 검출하는 제1입구측 수온센서(18)의 검출값에 기초하여 라디에이터 팬(13)과 제1워터펌프(14)의 회전속도를 제어하게 된다.

상기 라디에이터 팬(13)과 제1워터펌프(14)의 회전속도는 제1입구측 수온센서(18)의 검출값 대신 냉각장치(11)로부터 배출되는 제1냉각수의 온도를 검출하는 출구측 수온센서(19)의 검출값에 기초하여 제어될 수도 있다.

또한 제어기(100)는 실내 냉방시 압축기(25)의 회전속도를 제어하여 응축기(22)를 통과하는 냉매의 유량을 제어함으로써 제1냉각수와 후술하는 제2냉각수의 온도, 그리고 실내 온도를 제어하게 된다.

상술한 바와 같이 1차 열교환 계통부에서는 PE 부품 등 발열부품의 냉각을 위한 냉각 매체와 냉매의 응축을 위한 냉각 매체가 제1냉각수라인(15)을 따라 순환하는 동일한 제1냉각수로 통합되며, 이로써 동일 라디에이터(12)에서 냉각을 필요로 하는 유체를 높은 온도 영역으로 설정할 수 있게 되고, 결국 내연기관의 방열량이 큰 영역을 활용하는 것과 같은 고효율의 시스템이 될 수 있게 된다.

반면, 2차 열교환 계통부는, 차량 실내 공조용으로 사용되는 열전달 매체인 제2냉각수(공조용 냉각수)를 통과시켜 제2냉각수를 가열하도록 구비되는 실내 난방용 전기히터(31)와, 제2냉각수와 냉매를 통과시켜 제2냉각수와 냉매 간의 열교환이 이루어지도록 구비되는 냉매 순환식 냉방장치의 증발기(24)와, 제2냉각수를 통과시켜 제2냉각수와 공기의 열교환이 이루어지면서 차량 실내에 제2냉각수와 열교환된 공기를 토출시키기 위한 공조용 열교환기(32) 및 공조용 팬(33)과, 상기 전기히터(31)와 증발기(24), 공조용 열교환기(32) 사이에 제2냉각수가 통과하도록 연결되는 제2냉각수라인(35)과, 제2냉각수라인(35)에서 냉각수를 압송하여 순환시키는 제2워터펌프(34)(전동식 워터펌프임)를 포함하여 구성된다.

이와 더불어, 공조용 열교환기(32)의 입구측에서 제2냉각수라인(35)을 통해 유입되는 제2냉각수의 온도를 검출하기 위한 제2입구측 수온센서(36)가 설치된다.

전기자동차에서 전기모터의 구동 전력을 제공하는 고전압 배터리(메인 배터리)(52)는 공냉식, 즉 차량 실내의 공기를 배터리 냉각장치(51)의 냉각팬(54)을 이용하여 고전압 배터리로 통과시키는 방식에 의해 냉각될 수 있다.

2차 열교환 계통부에 있어서, 전기히터(31)의 작동은 제어기(100)에 의해 제어되는데, 특히 제어기(100)의 제어신호에 따라 전기히터(31)의 발열량이 제어되면서 공조용 냉각수인 제2냉각수의 온도가 제어되는 동시에 실내 온도가 제어되게 된다.

이때, 제어기(100)는 공조용 열교환기(32)에 유입되는 제2냉각수의 온도를 검출하는 제2입구측 수온센서(36)의 검출값에 기초하여 전기히터(31)의 발열량을 제어하게 된다.

또한 제어기(100)는 제2워터펌프(34)의 회전속도를 제어하여 공조용 열교환기(32)를 통과하는 제2냉각수의 유량을 제어함으로써 실내 온도를 제어하게 되고, 또한 제어기(100)가 공조용 팬(33)의 회전속도를 제어하여 공조용 열교환기(32)에서 제2냉각수와 열교환되는 공기의 풍량을 제어하게 된다.

또한 제어기(100)는 배터리 냉각장치(51)에 내장된 냉각팬(54)의 구동을 제어하게 되며, 이러한 냉각팬(54)의 구동은 고전압 배터리(52)의 온도를 검출하는 배터리 온도센서(53)의 검출값에 기초하여 제어될 수 있다.

상기한 본 발명의 통합 열관리 시스템에서는, 1차 열교환 계통부의 경우, 제1워터펌프(14)의 구동으로 제1냉각수가 제1냉각수라인(15)을 통해 순환되면서 냉각장치(11)→응축기(22)→라디에이터(12)→냉각장치(11)의 경로를 따라 순환되거나(냉방장치의 오프시), 냉각장치(11)→바이패스라인(16)→라디에이터(12)→냉각장치(11)의 경로를 따라 순환된다(냉방장치의 가동시).

이때, 냉매를 사용하는 냉방장치(에어컨장치)의 가동시에는 제1냉각수가 응축기(22)를 통과하면서 냉매와 열교환을 하게 되는데, 응축기(22)의 고압, 고온의 냉매가 제1냉각수(부품 냉각용 냉각수)에 의해 냉각되고, 이에 온도가 상승한 제1냉각수가 라디에이터(12)에서 냉각풍에 의해 냉각된 뒤 다시 PE 부품 등의 발열부품을 냉각하기 위한 냉각장치(11)로 공급된다.

또한 냉각장치(11)로 공급된 제1냉각수가 발열부품을 냉각시킨 뒤 다시 응축기(22)로 이송되어 냉매를 냉각하고, 이어 온도가 상승한 제1냉각수가 라디에이터(12)에서 다시 냉각된 뒤 냉각장치(11)로 공급된다.

단, 냉방장치의 오프시에는 응축기(22), 팽창밸브(23), 증발기(24), 압축기(25)를 포함한 냉매라인(21)을 통해 냉매가 순환되지 않으므로 제1냉각수가 냉매를 냉각시킬 필요가 없는 바, 제1냉각수를 바이패스라인(16)을 이용해 응축기(22)를 통과하지 않도록 하여 라디에이터(12)와 냉각장치(11) 사이에서만 순환시키게 된다.

물론, 냉각장치(11)에서 발열부품을 냉각한 냉각수는 승온된 상태로 라디에이터(12)로 이송되어 냉각풍에 의해 냉각된 뒤 다시 부품 냉각을 위해 냉각장치(11)로 공급되게 된다.

그리고, 2차 열교환 계통부에서는, 제2워터펌프(34)의 구동으로 제2냉각수가 증발기(24)→전기히터(31)→공조용 열교환기(32)→증발기(24)의 경로를 따라 순환하게 된다.

이때, 제2냉각수는 증발기(24)의 냉매와 열교환하여 냉각되거나 전기히터(31)에 의해 가열되면서 승온된 후 공조용 열교환기(32)를 통과하게 되는데, 공조용 열교환기(32)에서 공조용 팬(33)에 의해 공급되는 공기와 열교환하게 되고, 제2냉각수와 열교환된 공기가 차량 실내로 토출되면서 실내 온도가 제어되게 된다.

냉방장치의 가동시에는 증발기(24)에 의해 냉각된 제2냉각수가 공조용 열교환기(32)로 공급되면서 실내 냉방이 이루어지고, 난방장치의 가동시에는 전기히터(31)에 의해 가열된 제2냉각수가 공조용 열교환기(32)로 공급되면서 실내 난방이 이루어지며, 제어기(100)가 차량 실내에 설치되어 실내 온도를 검출하는 실내온 센서(41)의 검출값에 기초하여 각 구성부의 구동을 제어함으로써 실내 온도를 목표 실내 온도로 제어하게 된다.

이하, 본 발명에 따른 통합 열관리 시스템의 작동모드에 대해서 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명에 따른 통합 열관리 시스템의 제어상태를 나타내는 순서도로서, 사용자가 공조장치의 조작부를 조작하고, 이때 제어기(100)가 조작부로부터 온 조작 신호를 입력받게 되면, 실내온 센서(41)의 검출값, 즉 실내 온도를 사용자가 설정한 목표 실내 온도와 비교하게 된다.

이때, 실내 온도가 목표 실내 온도보다 낮은 경우이거나, 실내 온도가 목표 실내 온도와 같고 외기온 센서(42)의 의해 검출되는 외기 온도가 미리 설정된 기준온도(α)보다 낮은 경우라면, 압축기(25)를 오프시켜 냉방장치의 가동을 중지시키고, 난방장치를 가동시킨다.

여기서, 상기 기준온도(α)는 냉방장치를 작동시키지 않아도 실내 온도가 유지되는 외기 온도 조건으로, 12 ~ 15 ℃로 설정될 수 있다.

물론, 실내 온도와 상관없이 PE 부품 등의 발열부품이 작동되는 상태에서는 냉각장치(11)를 작동시킨다.

이와 함께 전기히터(31)를 작동시키고, 제2냉각수의 순환을 위해 구동되는 제2워터펌프(34)의 회전속도를 제어하여, 실내 온도가 목표 실내 온도에 도달할 때까지 실내 난방을 하게 된다.

이때, 제2냉각수가 전기히터(31)에 의해 가열된 뒤 공조용 열교환기(32)를 통과하게 되고, 동시에 공조용 팬(33)이 작동되면서 공조용 열교환기(32)의 제2냉각수에 의해 승온된 온풍이 차량 실내로 토출되어 난방이 이루어진다.

냉방장치의 가동을 중지하고 난방장치를 가동시킬 때 제2냉각수를 가열하는 전기히터(31)의 발열량과 제2냉각수의 순환을 위한 제2워터펌프(34)의 회전속도가 적절히 제어되는데, 목표 실내 온도와 실내 온도 피드백 값, 즉 실내온 센서(41)의 검출값의 차이에 비례하여 전기히터(31)의 발열량 또는 제2워터펌프(34)의 회전속도가 제어된다.

이때, 전기히터(31)의 발열량이 공조용 열교환기(32)로 유입되는 제2냉각수의 실제 계측 온도, 즉 제2입구측 수온센서(36)의 검출값에 따라 제어될 수도 있다.

도 5는 냉방장치가 오프되고 난방장치가 가동되는 상태에서 목표 실내 온도와 실내 온도의 차이에 따라 전기히터의 발열량 및 제2워터펌프의 회전속도가 제어되는 상태를 예시한 도면이다.

도시된 바와 같이, 목표 실내 온도와 실제 실내 온도(실내온 센서의 검출값)의 차이, 또는 목표 실내 온도에 따른 공조용 열교환기 입구측 제2냉각수의 목표 온도와 실제 입구측 제2냉각수의 온도(제2입구측 수온센서의 검출값)의 차이가 클수록 전기히터의 발열량을 크게 제어하게 된다.

또한 목표 실내 온도와 실제 실내 온도(실내온 센서의 검출값)의 차이가 클수록 제2워터펌프의 회전속도를 증가시키게 된다.

아울러, 냉방장치의 가동이 중지되므로 압축기(25)의 오프로 인해 응축기(22) 등을 포함하여 냉매라인(21)을 통해서는 냉매가 순환되지 않으며, 따라서 제1워터펌프(14)가 구동되는 상태에서 바이패스라인(16)을 열어주고 응축기(22)로의 냉각수 경로를 차단하도록 바이패스밸브(17)를 제어하게 된다.

이에 제1워터펌프(14)에 의해 순환되는 제1냉각수가 바이패스라인(16)을 통해 응축기(22)를 거치지 않고 바로 라디에이터(12)로 유입된 뒤 냉각된다.

이후 라디에이터(12)에서 냉각된 제1냉각수가 부품 냉각을 위한 냉각장치(11)로 다시 공급되어 부품을 냉각하게 되며, 라디에이터(12)와 냉각장치(11) 사이에서 계속 순환하게 된다.

부품 냉각이 이루어지는 상태에서 제어기(100)는 제1입구측 수온센서(18)에 의해 검출되는 제1냉각수의 온도에 따라 라디에이터 팬(13)의 회전속도와 제1워터펌프(14)의 회전속도를 적절히 제어하게 된다.

도 6은 냉방장치가 오프되고 부품 냉각이 이루어지는 상태에서 라디에이터에 유입되는 제1냉각수의 온도, 즉 상기 제1입구측 수온센서(18)의 검출값에 따라 라디에이터 팬의 회전속도와 제1워터펌프의 회전속도가 제어되는 상태를 예시한 도면이다.

도시된 바와 같이, 라디에이터로 유입되는 제1냉각수의 온도(제1입구측 수온센서의 검출값)가 높을수록 라디에이터 팬의 회전속도와 제1워터펌프의 회전속도를 증가시키게 된다.

반면, 실내온 센서(41)에 의해 검출되는 실내 온도가 목표 실내 온도보다 높은 경우이거나, 실내 온도가 목표 실내 온도와 같고 외기온 센서(42)의 의해 검출되는 외기 온도가 미리 설정된 기준온도(α)보다 높은 경우라면, 부품의 냉각을 위한 냉각장치(11)의 작동을 유지하면서 냉방장치를 작동시키는데, 이때 냉매를 순환시키는 압축기(25)의 회전속도와 제2냉각수를 순환시키는 제2워터펌프(34)의 회전속도를 적절히 제어하게 된다.

특히, 압축기(25)의 회전속도는 목표 실내 온도와 실내 온도 피드백 값, 즉 실내온 센서(41)의 검출값의 차이에 비례하여 제어될 수 있으며, 공조용 열교환기(32)로 유입되는 제2냉각수의 실제 계측 온도, 즉 제2입구측 수온센서(36)의 검출값에 따라 제어될 수도 있다.

도 7은 냉방장치가 가동되는 상태에서 목표 실내 온도와 실내 온도의 차이에 따라 압축기의 회전속도가 제어되는 상태를 예시한 도면으로서, 목표 실내 온도와 실제 실내 온도(실내온 센서의 검출값)의 차이, 또는 목표 실내 온도에 따른 공조용 열교환기 입구측 제2냉각수의 목표 온도와 실제 입구측 제2냉각수의 온도(제2입구측 수온센서의 검출값)의 차이가 클수록 압축기의 회전속도를 크게 제어하게 된다.

또한 증발기(24)와 공조용 열교환기(32) 사이를 순환하는 제2냉각수의 유량을 제어하기 위하여 제2워터펌프(34)의 회전속도를 제어하며, 제2워터펌프(34)의 회전속도는 목표 실내 온도와 실내 온도 피드백 값, 즉 실내온 센서(41)의 검출값의 차이에 비례하여 제어된다.

아울러, 실내 온도와 상관없이 PE 부품 등의 발열부품이 작동되는 상태에서는 냉각장치(11)를 작동시켜야 하며, 이때 제1워터펌프(14)가 구동되는 상태에서 제1냉각수가 라디에이터(12)와 냉각장치(11) 사이에서 순환되도록 해야 한다.

또한 냉방장치가 가동될 때 압축기(25)의 구동으로 응축기(22)로 냉매가 순환되고, 응축기(22)에서 냉매의 냉각을 위해 제1냉각수를 응축기(22)로 통과시켜야 하는 바, 바이패스라인(16)을 닫고 응축기(22)를 통과하는 경로를 열어주도록 바이패스밸브(17)를 제어하게 된다.

이에 부품을 냉각한 제1냉각수가 응축기(22)에서 냉매를 냉각시킨 뒤 라디에이터(12)로 유입되어 냉각되게 된다.

부품 냉각이 이루어지는 상태에서 제어기는 도 6에 나타낸 바와 같이 라디에이터 입구측의 제1냉각수 온도, 즉 제1입구측 수온센서의 검출값에 따라 라디에이터 팬의 회전속도와 제1워터펌프의 회전속도를 적절히 제어하게 된다.

이와 함께 필요한 경우 전기히터(31)를 작동시킬 수 있는데, 목표 실내 온도와 실내온 센서(41)의 검출값의 차이에 비례하여 전기히터(31)의 발열량을 제어하게 된다.

또는 전기히터(31)의 발열량을 공조용 열교환기(32)로 유입되는 제2냉각수의 실제 계측 온도, 즉 제2입구측 수온센서(36)의 검출값에 따라 제어할 수도 있으며, 이때 목표 실내 온도에 따른 공조용 열교환기 입구측 제2냉각수의 목표 온도와 실제 입구측 제2냉각수의 온도(제2입구측 수온센서의 검출값)의 차이에 따라 전기히터의 발열량을 제어하게 된다.

또한 사용자가 공조장치의 조작부를 조작하여, 제어기(100)가 조작부로부터 오프 조작 신호를 입력받게 되면, 제1냉각수를 바이패스라인(16)으로 통과시키는 동시에 부품 냉각을 위한 냉각장치(11)를 제외한 난방장치와 냉방장치의 가동을 모두 중지시키는데, 이때 제1냉각수의 순환을 위한 제1워터펌프(14)와 제1냉각수의 냉각을 위한 라디에이터 팬(13)을 제외하고는 압축기(25), 전기히터(31), 제2워터펌프(34), 공조용 팬(33)의 구동을 모두 중지시킨다.

공조장치가 오프되고 부품 냉각이 이루어지는 상태에서 제어기(100)는 도 6에 나타낸 바와 같이 제1입구측 수온센서(18)에 의해 검출되는 제1냉각수의 온도에 따라 라디에이터 팬(13)의 회전속도와 제1워터펌프(14)의 회전속도를 적절히 제어하게 된다.

이와 같이 하여, 본 발명에 따른 통합 열관리 시스템에서는 냉각장치와 공조장치의 통합을 통한 효율적인 열관리가 수행될 수 있으므로 라디에이터의 방열 특성을 개선하는 것은 물론 차량의 연비 향상에 기여할 수 있게 된다.

특히, 라디에이터에서 냉각을 필요로 하는 유체를 높은 온도 영역으로 설정할 수 있게 되고, 결국 내연기관의 방열량이 큰 영역을 활용하는 것과 같은 고효율의 시스템을 구현할 수 있게 된다.

또한 종래에는 라디에이터와 응축기가 모두 공냉식 열교환기이므로 두 열교환기를 전후로 배치하는 2열 배열이 필요하였으나, 본 발명에서는 냉각수라인을 매개로 두 열교환기를 직렬로 연결하면 되므로 공냉식 라디에이터와 수냉식 응축기를 서로 측방으로 1열 배치하는 것 등이 가능해지고, 응축기의 위치에 있어서 특별한 제약이 없게 된다.

결국, 종래의 공냉식 열교환기 2열 배열로 인한 압력 강하량 증가 및 방열 효율 저하의 문제점이 해소될 수 있고, 차량의 범퍼홀 축소 및 디자인 자유도 증대의 이점과 더불어, 오버행 거리 확보로 충돌성능이 향상되는 이점이 있게 된다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는 바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

11 : 냉각장치 12 : 라디에이터
13 : 라디에이터 팬 14 : 제1워터펌프
15 : 제1냉각수라인 16 : 바이패스라인
17 : 바이패스밸브 18 : 제1입구측 수온센서
19 : 출구측 수온센서 21 : 냉매라인
22 : 응축기 23 : 팽창밸브
24 : 증발기 25 : 압축기
31 : 전기히터 32 : 공조용 열교환기
33 : 공조용 팬 34 : 제2워터펌프
35 : 제2냉각수라인 36 : 제2입구측 수온센서
41 : 실내온 센서 42 : 외기온 센서
51 : 배터리 냉각장치 52 : 고전압 배터리
53 : 배터리 온도센서 54 : 냉각팬

Claims

차량의 발열부품을 냉각하기 위한 수냉식 냉각장치(11)와, 차량의 실내 냉방을 위한 냉매 순환식 냉방장치의 응축기(22)와, 제1냉각수의 방열을 위한 라디에이터(12)를 제1냉각수라인(15)상에 배치하여 제1냉각수가 상기 제1냉각수라인(15)을 따라 수냉식 냉각장치(11), 응축기(22), 라디에이터(12)를 순환하도록 구성되는 한 1차 열교환 계통부를 포함하고,
상기 1차 열교환 계통부는 제1냉각수라인(15)을 따라 순환하는 제1냉각수를 수냉식 냉각장치(11)의 부품 냉각을 위한 냉각 매체와, 응축기(22)의 냉매 냉각을 위한 냉각 매체로 통합 이용하도록 된 것을 특징으로 하는 친환경차량의 통합 열관리 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 1차 열교환 계통부는,
제1냉각수를 통과시켜 발열부품의 냉각을 수행하는 냉각장치(11)와;
제1냉각수와 실내 냉방을 위한 냉매를 통과시켜 제1냉각수와 냉매 간의 열교환이 이루어지는 냉매 순환식 냉방장치의 수냉식 응축기(22)와;
제1냉각수를 통과시켜 제1냉각수의 열을 방열시키기 위한 라디에이터(12) 및 라디에이터 팬(13)과;
상기 냉각장치(11)와 응축기(22), 라디에이터(12) 사이에 제1냉각수가 순환되도록 연결되는 제1냉각수라인(15)과;
상기 제1냉각수라인(15)에서 제1냉각수를 압송하여 순환시키는 제1워터펌프(14);
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 친환경차량의 통합 열관리 시스템.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
제1냉각수를 응축기(22)를 통과하지 않도록 바이패스시키기 위해 제1냉각수라인(15)에 설치되는 바이패스라인(16)과;
상기 응축기(22)를 통과하는 경로와 바이패스라인(16)을 통과하는 경로 사이에서 제1냉각수의 흐름 방향을 제어하기 위한 바이패스밸브(17);
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경차량의 통합 열관리 시스템.
청구항 3에 있어서,
상기 바이패스밸브(17)의 구동을 제어하도록 구비되는 제어기(100)가 냉매 순환식 냉방장치를 구성하는 압축기(25)의 오프 상태인 경우 바이패스라인(16)을 열어주고 응축기(22)로의 냉각수 경로를 차단하도록 바이패스밸브(17)를 제어하는 것을 특징으로 하는 친환경차량의 통합 열관리 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 1차 열교환 계통부에 냉매 순환식 냉방장치를 매개로 연결되는 차량 실내 공조용 2차 열교환 계통부를 더 포함하며,
상기 2차 열교환 계통부는 차량의 실내 난방을 위한 전기히터(31)와, 차량의 실내 냉방을 위한 냉매 순환식 냉방장치의 증발기(24)와, 차량의 냉난방 실내 공조를 위한 공조용 열교환기(32)를 제2냉각수라인(35)상에 배치하여 상기 제2냉각수라인(35)을 따라 차량의 실내 공조용 열전달 매체인 제2냉각수가 상기 전기히터(31), 증발기(24), 공조용 열교환기(32)를 따라 순환하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 친환경차량의 통합 열관리 시스템.
청구항 5에 있어서,,
상기 2차 열교환 계통부는,
제2냉각수를 통과시켜 제2냉각수를 가열하는 전기히터(31)와;
제2냉각수와 냉매를 통과시켜 제2냉각수와 냉매 간의 열교환이 이루어지는 냉매 순환식 냉방장치의 증발기(24)와;
제2냉각수를 통과시켜 제2냉각수와 공기의 열교환이 이루어지면서 차량 실내에 제2냉각수와 열교환된 공기를 토출시키기 위한 공조용 열교환기(32) 및 공조용 팬(33)과;
상기 전기히터(31)와 증발기(24), 공조용 열교환기(32) 사이에 제2냉각수가 통과하도록 연결되는 제2냉각수라인(35)과;
상기 제2냉각수라인(35)에서 냉각수를 압송하여 순환시키는 제2워터펌프(34);
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 친환경차량의 통합 열관리 시스템.
청구항 5 또는 청구항 6에 있어서,
상기 공조용 열교환기(32)로 유입되는 제2냉각수의 온도를 검출하기 위한 수온센서(36)가 설치되고, 제어기(100)가 상기 수온센서의 검출값에 기초하여 상기 냉매 순환식 냉방장치를 구성하는 압축기(25)의 회전속도와 상기 전기히터(31)의 발열량을 제어하는 것을 특징으로 하는 친환경차량의 통합 열교환 시스템.
청구항 6에 있어서,
제어기(100)가 실내온 센서(41)로부터 검출되는 차량 실내 온도와 목표 실내 온도에 기초하여 상기 냉매 순환식 냉방장치를 구성하는 압축기(25)의 회전속도, 상기 전기히터(31)의 발열량, 및 상기 제2워터펌프(34)의 회전속도를 제어하는 것을 특징으로 하는 친환경차량의 통합 열교환 시스템
청구항 1에 있어서,
상기 제1냉각수라인(15)에는 제1냉각수의 온도를 검출하기 위한 수온센서(18,19)가 설치되고, 제어기(100)가 상기 수온센서(18,19)의 검출값에 기초하여 라디에이터 팬(13) 및 제1워터펌프(14)의 회전속도를 제어하는 것을 특징으로 하는 친환경차량의 통합 열관리 시스템.