KR20120020831A - 전기 자동차용 냉난방 및 에어컨 회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 냉난방 회로에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기 자동차용 냉난방 회로에 있어서, LDC, 인버터, 충전기, 구동 모터를 차례로 통과하여 엔진의 냉각 또는 주변 공기의 난방을 조절하는 냉난방회로 및 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기를 포함하여 주변 공기의 온도를 낮추는 에어컨 회로를 포함하여 이루어지며, 상기 LDC의 전단에는 대기로부터 공기를 유입하는 에어 블로워가 형성되고, 상기 구동 모터의 후단에는 상기 에어컨 회로와 열교환을 하거나 또는 대기로 공기를 방출하는 열교환기가 형성되어, 종래 사용되던 수냉식 냉난방 회로를 공냉식 냉난방 회로로 구성하여 사용되는 부품의 수를 줄임과 동시에, 2차적인 열교환을 통해 에어컨 회로의 효율을 향상시킬 수 있는 전기 자동차용 냉난방 및 에어컨 회로에 관한 것이다.

Description

전기 자동차용 냉난방 및 에어컨 회로{Cooling, heating and air conditioning circuit for an electric vehicle}
본 발명은 냉난방 회로에 관한 것으로, 보다 상세하게는 냉각 회로와 냉난방 회로를 병합하여 냉각 효율을 증대시키고 소요되는 부품수를 절감할 수 있는 전기 자동차용 냉난방 및 에어컨 회로에 관한 것이다.
최근, 환경 오염을 줄이기 위한 방안으로, 가솔린 또는 디젤 기관을 이용한 자동차를 대신하여 전기 자동차가 많이 개발되어 실제 도로에서의 주행이 가능하게 되었다.
이에 따라, 전기 자동차에서의 엔진룸의 냉각 및 차량 실내의 냉방, 난방의 역할 및 그 효율이 중요시되었으며, 특히 연료를 연소하여 얻어지는 연소 에너지와 전기 에너지를 혼합하여 사용하는 전기 자동차의 특성상, 종래 사용되던 가솔린 또는 디젤 기관과의 차이점으로 인하여 냉각 및 냉난방 회로의 구성 및 작동에 차이점이 존재한다.
즉, 도1 에 도시된 바와 같이, 종래 사용되던 전기 자동차용 냉각 회로는, LDC(직류변환컨버터)(1), 인버터(2), 충전기(3) 및 구동 모터(4)와 같이 전기 자동차에 신규로 추가되는 전장 부품을 모두 포함하여 1개의 냉각 회로를 구성하게 되며, 나아가 기존의 가솔린 및 디젤 엔진을 장착한 차량과 비교하여 동력원에서 방출되는 난방 열원(기존의 가솔린 및 디젤 엔진의 엔진 폐열을 뜻함.)이 매우 부족하기 때문에, 히터(5)를 냉각 회로에 동시에 구성하여 사용하는 것이 일반적이다.
상기 히터(5)를 통과한 냉각수는 라디에이터(6)를 통과하면서 온도가 낮아지고, 리저버(7) 및 펌프(8)를 통과하여 다시 전장 부품으로 투입된다.
이러한 과정에서, 전기 자동차에 신규로 추가되는 전장 부품의 내구력 만족을 위하여, 사용되는 냉각수의 목표 온도가 약 65℃ 이하로 하향 조정되어야 하며, 이는 기존에 사용되던 가솔린 및 디젤 엔진에서의 냉각수 목표 온도인 112℃ 에 비하여 과다하게 축소되어야만 하는 것이다.
뿐만 아니라, 외기의 온도가 약 50℃ 에 달하는 혹서지와 같은 경우에는 냉각수의 온도와 외기의 온도 차이가 약 15℃ 에 불과하여 충분한 냉각 효과를 달성할 수 없으므로, 충분한 열교환을 위하여 라디에이터 및 냉각팬의 용량을 증대시켜야 하였으며, 이는 차량 무게의 증가 및 효율의 저하로 이어졌다.
즉, 도2 에 도시된 바와 같이, 라디에이터(6)로 분당 12L 의 비율로 유입되는 냉각수의 온도는 약 73℃ 이고 이를 전장 부품에 투입하기 위한 65℃ 로 낮추기 위하여 3m/s 로 흐르는 공기와 열교환을 하게 되는데, 열대지에서의 조건인 43℃ 의 공기가 유입되어 49.6℃ 의 공기가 유출된다고 가정할 때 필요한 라디에이터(6)는 최소 335x665x14 의 크기를 만족하여야 한다.
뿐만 아니라, 상기 전장 부품들에서 발생하는 폐열을 히터에 사용하여 보조 난방으로 이용할 경우, 상기 라디에이터(6)는 효용성을 잃고 불필요한 부품에 해당하게 된다.
또한, 전기 자동차에서는 추가로 사용되는 전장 구성 부품의 갯수가 많아지기 때문에, 1개의 냉각 회로를 사용할 경우에는 구성 부품의 저항 증가로 인하여 냉각수에 가해지는 압력을 증대시킬 필요가 있으나, 펌프의 크기를 크게 하여 출력을 증대시킨다고 하여도 부품 내부를 순환하는 냉각수 양의 증가는 미소한 정도에 그치고 있는 실정이어서 그 효율이 크지 않다는 문제가 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 종래 사용되던 수냉식 냉난방 회로를 공냉식 냉난방 회로로 구성하여 사용되는 부품의 수를 줄임과 동시에, 2차적인 열교환을 통해 에어컨 회로의 효율을 향상시킬 수 있는 전기 자동차용 냉난방 및 에어컨 회로를 제공하고자 함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 전기 자동차용 냉난방 회로에 있어서, LDC, 인버터, 충전기, 구동 모터를 차례로 통과하여 엔진의 냉각 또는 주변 공기의 난방을 조절하는 냉난방회로 및 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기를 포함하여 주변 공기의 온도를 낮추는 에어컨 회로를 포함하여 이루어지며, 상기 LDC의 전단에는 대기로부터 공기를 유입하는 에어 블로워가 형성되고, 상기 구동 모터의 후단에는 상기 에어컨 회로와 열교환을 하거나 또는 대기로 공기를 방출하는 열교환기가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 구동 모터와 상기 열교환기의 중간에는 회로의 방향을 선택하여 공기의 흐름을 조절하는 3방 밸브가 형성되어 있는 것이 바람직하며, 상기 3방 밸브의 제1측은 상기 구동 모터와 연결되고, 제2측은 상기 열교환기와 연결되며, 제3측은 난방, 환기 및 공기조화를 조절하는 HVAC 장치와 연결되는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 상기 냉난방 회로의 내부는 공기가 채워져 순환하고, 상기 에어컨 회로의 내부는 냉매가 채워져 순환하며, 공기와 냉매는 상기 열교환기의 내부에서 각각 별도의 회로를 통과하며 열교환 하도록 이루어지는 것이 바람직하다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 효과는, 대기를 이용하여 냉난방 회로를 개방형으로 구성함으로서, 수냉식의 냉난방 회로에 비하여 유입되는 공기의 온도를 저감시킬 수 있으므로, 전장 부품의 냉각 효율을 증대시킬 수 있으며, 라디에이터, 리저버 및 펌프 등의 전장 부품을 삭제할 수 있으므로 구조 및 작동 과정이 보다 단순해 질 수 있다.
또한, 불필요한 부품들을 삭제하고 이를 3방 밸브 및 열교환기로 대체할 수 있으므로, 생산 원가 및 차량의 중량을 절감할 수 있으므로, 보다 높은 효율의 달성이 가능하다.
또한, 높은 온도의 공기를 HVAC 장치를 통하여 차량 실내로 직접 공급할 수 있으므로, 종래 사용되던 수냉식 히터와 비교하여 열효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 대기로 방출되는 고온의 공기를 열교환기를 통하여 에어컨 회로와 연결함으로서, 냉매의 과열도를 향상시켜 에어컨 회로에 사용되는 압축기의 소비동력을 저감시킬 수 있으므로, 에어컨 회로의 효율을 향상시킬 수 있다.
도1 은 종래 전기 자동차에 사용되던 냉난방 회로를 도시한 개략도.
도2 는 종래 사용되던 냉난방 회로의 라디에이터에서의 냉각수 및 공기의 흐름을 나타낸 개략도.
도3 은 본 발명인 냉난방 및 에어컨 회로를 도시한 개략도.
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명인 전기 자동차용 냉난방 및 에어컨 회로는, LDC(11), 인버터(12), 충전기(13), 구동 모터(14)를 차례로 통과하여 엔진의 냉각 또는 주변 공기의 난방을 조절하는 냉난방회로 및 압축기(41), 응축기(42), 팽창밸브(43), 증발기(44)를 포함하여 주변 공기의 온도를 낮추는 에어컨 회로(40)를 포함하여 이루어지며, 상기 LDC(11)의 전단에는 대기로부터 공기를 유입하는 에어 블로워(10)가 형성되고, 상기 구동 모터(14)의 후단에는 상기 에어컨 회로(40)와 열교환을 하거나 또는 대기로 공기를 방출하는 열교환기(30)가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
즉, 도3 에 도시된 바와 같이, 본 발명은, 엔진의 냉각 또는 주변 공기의 난방을 조절하는 냉난방회로가 외부와 작동유체를 교환하지 않는 밀폐형(closed type)으로 이루어지는 것이 아니라, 약 -20℃ 내지 43℃ 의 온도를 가지는 대기를 유입하여 상기 냉난방회로를 순환한 뒤 대기 또는 차량 내부로 고온의 공기를 방출하는 개방형(open type)으로 이루어진다.
특히, 종래 사용되던 냉난방회로는 대부분 엔진을 냉각하는 방식이 물을 이용하는 수냉식으로 이루어져, 전장부품으로 유입되는 유체의 온도가 상대적으로 높아 열교환의 효율이 높지 않다는 문제가 있었다.
따라서, 본 발명에서는 수냉식 냉각 방식 대신, 대기로부터 공기를 유입하고 방출하는 공냉식 냉각 방식을 이용함으로서, 전장부품으로 유입되는 공기의 온도를 상대적으로 더욱 낮출 수 있으므로, 엔진의 냉각 효과를 증대시킬 수 있으며, 열교환의 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
뿐만 아니라, 종래의 냉난방회로에서 냉각수를 순환시키기 위하여 필수적으로 사용되었던 부품인 라디에이터, 리저버, 펌프, 히터 및 각종 호스를 사용하지 않고서도 냉난방회로를 구성하여 엔진의 냉각 및 차량 실내의 난방 효과를 달성할 수 있으므로, 차량의 무게가 보다 가벼워질 뿐만 아니라, 전기 자동차의 주행 효율을 더욱 높일 수 있다.
이와 같이, 외부의 공기를 전장부품으로 유입하기 위하여, 상기 LDC(11)의 전단에는 대기로부터 공기를 유입하는 에어 블로워(10)가 형성되고, 상기 구동 모터(14)의 후단에는 상기 대기로 공기를 방출하는 열교환기(30)가 형성되어 있는 것이 바람직하며, 나아가, 상기 열교환기(30)는 차량의 에어컨 회로(40)와 연결되어, 선택적으로 상기 에어컨 회로(40)와 열교환을 할 수 있도록 이루어진다.
즉, 전장부품을 순환하여 온도가 높아진 공기를 대기중으로 바로 방출하는 것이 아니라, 상기 열교환기(30)를 에어컨 회로(40)의 증발기(44)와 압축기(41) 사이의 공간에 연결하여, 고온의 공기에 의하여 상기 증발기(44)로부터 상기 압축기(41)로 전달되는 냉매의 과열도를 향상시킴으로서, 상기 압축기(41)에서 소요되는 동력을 저감시킬 수 있으므로 에어컨 회로(40)의 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
이러한 열교환기(30)에서의 열교환은 냉난방 회로 및 에어컨 회로를 순환하는 공기와 냉매가 서로 섞이지 않는 상태로 이루어지게 되는데, 상기 냉난방 회로의 내부는 공기가 채워져 순환하고, 상기 에어컨 회로(40)의 내부는 냉매가 채워져 순환하며, 공기와 냉매는 상기 열교환기(30)의 내부에서 각각 별도의 회로를 통과하며 열교환을 하는 밀폐형(closed) 열교환기(30)로 이루어지는 것이 좋다.
따라서, 에어컨 회로(40)가 작동되지 않는 경우에는 대기로 고온의 공기를 바로 방출하게 되며, 에어컨 회로(40)가 작동되는 경우에는 상기 열교환기(30) 내부에서 냉매의 온도를 높여 과열도를 향상시킴으로서, 에어컨 회로(40)의 효율을 향상시킬 수 있는 것이다.
나아가 본 발명에서는, 냉난방 회로를 통과하는 공기의 흐름을 조절하기 위한 3방 밸브(20)(3 way valve)가 형성되는 것이 바람직한데, 상기 3방 밸브(20)는 상기 구동 모터(14)와 상기 열교환기(30)의 중간에 형성되어, 상기 3방 밸브(20)의 3방향 중 제1측은 상기 구동 모터(14)와 연결되고, 제2측은 상기 열교환기(30)와 연결된다.
또한, 상기 3방 밸브(20)의 제3측은 난방, 환기 및 공기조화를 조절하는 HVAC 장치와 연결되어, 전장부품을 통과한 고온의 공기가 상기 열교환기(30) 또는 상기 HVAC 장치로 선택적으로 흐를 수 있도록 조절하는 역할을 한다.
상기 HVAC 장치란, Heating(난방), Ventilation(환기), Air Conditioning(공기조화) 를 조절하는 장치로, 차량의 내부 공기의 온도, 습도, 환기, 청정도 등을 가장 적절한 상태로 조정하여 쾌적한 실내환경을 얻을 수 있도록 하는 장치이다.
따라서, 차량 내부의 온도가 낮아 난방이 필요할 경우(B)에는, 상기 3방 밸브(20)를 조절하여 상기 HVAC 장치로 고온의 공기가 유입되도록 하여 실내 공기를 직접 가열할 수 있으므로, 종래 사용되던 수냉식 히터에 비하여 훨씬 뛰어난 난방 효과를 달성할 수 있으며, 차량 내부의 온도가 높아 난방이 필요하지 않을 경우(A)에는, 상기 3방 밸브(20)를 조절하여 상기 열교환기(30)를 통하여 고온의 공기를 바로 방출하거나 또는 에어컨 회로(40)에서 2차적으로 사용할 수 있도록 함으로서, 에어컨 회로(40)의 효율 또한 향상시킬 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 작동원리를 아래의 [표1] 에 기술하였다.
구분 성능 요구 사항 동작 구현(공기 흐름) 비고
냉각 난방 에어컨 에어 블로워 3방 밸브
1 전장부품 온도
65℃ 이하		 필요 - 최대 작동 HVAC 로 연결
2 불필요 필요 최소 작동 열교환기로 연결하여
열교환 후 방출		 2차 열교환
효과 적음
3 불필요 미작동 열교환기로 연결하여
대기로 방출		 2차 열교환
효과 없음
4 전장부품 온도
65℃ 이상		 필요 - 최대 작동 HVAC 로 연결
5 불필요 필요 최대 작동 열교환기로 연결하여
열교환 후 방출		 2차 열교환
효과 큼
6 불필요 최대 작동 열교환기로 연결하여
대기로 방출		 2차 열교환
효과 없음
우선, 전장부품의 온도를 낮추기 위한 냉각 과정은 상기 에어 블로워(10)를 통하여 외부의 공기를 유입함으로서 달성될 수 있는데, 전장부품의 온도가 65℃ 이상일 경우에는 상기 에어 블로워(10)를 최대로 작동하여 전장부품의 온도를 낮출 수 있도록 하며, 전장부품의 온도가 65℃ 이하일 경우에는 상기 에어 블로워(10)를 선택적으로 작동하여 난방 및 에어컨 작동에 유리하도록 하였다.
이와 같이 엔진 및 전장부품의 냉각 과정을 공냉식 냉각 방식을 사용함으로서, 공기가 LDC(11), 인버터(12), 충전기(13) 및 구동 모터(14) 등의 전장부품 내부를 순환하며 냉각 효과를 달성하게 되므로, 전장부품 자체가 기존의 증발기 기능을 수행하며 열을 흡수할 수 있기 때문에, 별도의 라디에이터나 리저버 및 펌프 등의 부품이 필요하지 않게 된 것이다.
이후, 3방 밸브(20)의 조절에 따라, HVAC 장치의 히터로 고온의 공기를 직접 전달하거나, 상기 열교환기(30)로 공기를 전달하여 에어컨 회로(40)와 열교환 또는 대기로 직접 방출하게 된다.
즉, 차량 내부의 난방이 필요한 경우에는 상기 3방 밸브(20)를 조절하여 HVAC 장치의 히터로 고온의 공기가 유입되어 뛰어난 난방 효과를 달성할 수 있으며, 난방이 필요하지 않는 경우에는 상기 3방 밸브(20)를 조절하여 열교환기(30)로 공기가 유입될 수 있도록 하며, 이 경우 에어컨 회로(40)의 작동 여부에 따라 상기 열교환기(30) 에서의 냉매와 공기의 열교환 여부를 결정하게 되며, 에어컨 회로(40)의 작동이 필요한 경우에는 상기 열교환기(30)에서의 열교환 작용이 활발히 이루어지게 된다.
이와 같은 열교환기(30)에서의 열교환으로 인하여 냉매의 과열도를 향상시켜 상기 압축기(41)에서 소요되는 동력을 절감할 수 있으므로, 에어컨 회로(40) 전체의 효율 또한 향상시킬 수 있는 것이다.
본 발명인 전기 자동차용 냉난방 및 에어컨 회로와 종래 사용되던 냉난방 회로를 다양한 측면에서 검토하여 그 장단점을 아래의 [표2] 에서 비교하였다.
구분 종래 방식 본 발명 비고
냉각 성능 만족 만족
난방 성능 동일 PTC 용량 기준
히터 성능		 10.8℃ 39.3℃
동일 히터 성능 기준
PTC 용량		 6.8kW 2.2kW 종래 대비 68% 감소
에어컨 성능 별도 부품 효율 향상 과열도 향상에 따른
압축기 소비동력 저감
부식 내구성 나쁨 좋음 부동액 미사용
구성 부품수 주요 부품 4 2
배관 8 6
원가 67,000원 35,000원 종래 대비
32,000원 절감
엔진 및 전장부품의 냉각 성능은 전장부품의 최대 발열량과 같거나 보다 많은 열량을 공기중으로 방출할 수 있어야 만족하게 되는데, 입구 온도 65℃ 이하 및 출구 온도 73℃ 이하인 전장부품의 최대 발열량은 5.7kW(4,900kcal/h) 이며, 공기의 비열(Cp=0.24) 및 공기의 입구 온도(혹서지 43℃ 기준)를 가지는 대기를 유입하여 이러한 전장 부품을 냉각하기 위한 상기 에어 블로워(10)는 약 0.2kg/s(556m3/h) 의 유량을 확보하도록 설계되어야 하며, 이에 따라 냉각 성능을 만족할 수 있다.
또한, 종래 방식과 동일한 PTC 용량의 히터를 사용할 경우 10.8℃ 의 공기 출구 온도를 가지던 것에서, 39.3℃ 의 공기 출구 온도를 가질 수 있게 되어, 월등한 난방 효과를 달성할 수 있으며, 탑승자가 쾌적감을 느끼는 온도인 22℃ 를 기준으로 고려하면, 종래 6.8kW 의 동력이 사용되던 것에서, 2.2kW 의 동력만을 사용하여 달성할 수 있으므로 종래 방식 대비 약 68% 의 주 히터 용량을 감소시킬 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 열교환기(30)에 의하여 에어컨 회로(40)의 증발기(44)에서 방출되는 냉매의 과열도를 향상시켜 압축기(41)로 전달할 수 있으므로, 냉매의 과열도 향상에 따른 압축기(41) 소비 동력을 저감시킬 수 있어, 에어컨의 효율을 향상시킬 수 있으며, 엔진 및 전장 부품의 냉각을 위하여 부동액을 사용하지 않고, 대기의 공기를 사용하기 때문에 각종 부품의 부식 내구성을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 사용되는 주요 부품 및 배관의 수를 줄임으로서, 제작 원가를 절감할 수 있으며 차량의 중량을 감소시켜 효율을 향상시킬 수 있으며, 라디에이터(\25,000), 리저버(\5,000), 펌프(\25,000), 히터(\12,000) 가 삭제되고, 3방 밸브(\10,000) 및 에어 블로워(\25,000) 가 추가됨으로서, 약 32,000 원의 원가 절감 효과가 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
10 : 에어 블로워 11 : LDC
12 : 인버터 13 : 충전기
14 : 구동 모터 20 : 3방 밸브(3way valve)
30 : 열교환기 40 : 에어컨 회로
41 : 압축기(compressor) 42 : 응축기(condenser)
43 : 팽창밸브(expansion valve) 44 : 증발기(evaporator)

Claims (4)

  1. 전기 자동차용 냉난방 회로에 있어서,
    LDC(11), 인버터(12), 충전기(13), 구동 모터(14)를 차례로 통과하여 엔진의 냉각 또는 주변 공기의 난방을 조절하는 냉난방회로 및
    압축기(41), 응축기(42), 팽창밸브(43), 증발기(44)를 포함하여 주변 공기의 온도를 낮추는 에어컨 회로(40)를 포함하여 이루어지며,
    상기 LDC(11)의 전단에는 대기로부터 공기를 유입하는 에어 블로워(10)가 형성되고, 상기 구동 모터(14)의 후단에는 상기 에어컨 회로(40)와 열교환을 하거나 또는 대기로 공기를 방출하는 열교환기(30)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 냉난방 및 에어컨 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구동 모터(14)와 상기 열교환기(30)의 중간에는 회로의 방향을 선택하여 공기의 흐름을 조절하는 3방 밸브(20)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 냉난방 및 에어컨 회로.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 3방 밸브(20)의 제1측은 상기 구동 모터(14)와 연결되고, 제2측은 상기 열교환기(30)와 연결되며, 제3측은 난방, 환기 및 공기조화를 조절하는 HVAC 장치와 연결되는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 냉난방 및 에어컨 회로.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉난방 회로의 내부는 공기가 채워져 순환하고, 상기 에어컨 회로(40)의 내부는 냉매가 채워져 순환하며, 공기와 냉매는 상기 열교환기(30)의 내부에서 각각 별도의 회로를 통과하며 열교환 하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 냉난방 및 에어컨 회로.


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