KR20130091112A - Heat pump system for electric vehicle - Google Patents

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KR20130091112A
KR20130091112A KR1020120012391A KR20120012391A KR20130091112A KR 20130091112 A KR20130091112 A KR 20130091112A KR 1020120012391 A KR1020120012391 A KR 1020120012391A KR 20120012391 A KR20120012391 A KR 20120012391A KR 20130091112 A KR20130091112 A KR 20130091112A
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Abstract

PURPOSE: A heat pump system for an electric vehicle is provided to be equipped with a secondary heat exchanger using a driving motor and an electric heater as a heat source to heat refrigerant during a heating cycle. CONSTITUTION: A heat pump system for an electric vehicle includes a compressor (10) for compressing refrigerant, an indoor heat exchanger (20) for exchanging the heat of the refrigerant and indoor air, an expansion valve (30) which expands the refrigerant at a low temperature and pressure to output the refrigerant, an outside heat exchanger (40), which exchanges the heat of the refrigerant and the outside air, and a four-way valve (50), which is connected to the outdoor heat exchanger, the compressor and the indoor heat exchanger and reverses the flow of the refrigerant to convert a heat exchanging cycle into cooling and heating cycles. A controller supplies power to an electric heater when the temperature of the cooling water is below a set temperature and blocks the power to the electric heater when the temperature is above the set temperature, by comparing the temperature value of the cooling water outputted from a temperature sensor with the value set in advance.

Description

전기 자동차용 히트 펌프 시스템{Heat pump system for electric vehicle}Heat pump system for electric vehicle

본 발명은 전기 자동차용 히트 펌프 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 난방 사이클 시 구동 모터와 전기히터를 냉매를 가열하기 위한 열원으로 이용하는 보조 열교환장치를 구비한 전기 자동차용 히트 펌프 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a heat pump system for an electric vehicle, and more particularly, to a heat pump system for an electric vehicle having an auxiliary heat exchanger using a drive motor and an electric heater as a heat source for heating a refrigerant during a heating cycle.

일반 내연기관을 이용하는 자동차의 경우에는 엔진의 회전력에 의해서 작동하는 압축기를 이용한 에어컨을 통해 냉방을 한다. 그리고 엔진의 열에 의해서 가열된 냉각수를 히터코어에 유입한 후 외기를 흡입할 수 있는 팬을 이용해서 히터코어 주위의 따뜻한 공기를 자동차 실내로 유입하는 방법으로 난방을 한다. 즉, 냉방 장치와 별도의 난방 장치를 구비한다. In the case of a car using a general internal combustion engine, the vehicle is cooled by an air conditioner using a compressor operated by the rotational force of the engine. Then, the coolant heated by the heat of the engine is introduced into the heater core and then heated by inflowing warm air around the heater core into the interior of the vehicle by using a fan that can suck outside air. That is, it equips with a cooling apparatus and a heating apparatus separate from it.

그러나 전기자동차의 구동모터의 경우에는 일반 자동차의 엔진과 같이 고온이 아니며, 전기자동차가 정지하면 아이들링 운전을 하지 않고, 구동모터가 정지한다. 이로 인해, 전기자동차에서는 일반 자동차처럼 고온의 냉각수를 지속적으로 얻을 수 없다. 따라서 전기자동차의 경우에는 종래의 자동차와 달리 히트 펌프시스템을 이용하여 냉방과 난방을 한다. However, the driving motor of the electric vehicle is not high temperature like the engine of a general vehicle, and when the electric vehicle is stopped, the driving motor is stopped without idling driving. As a result, in an electric vehicle, high temperature cooling water cannot be continuously obtained as in a general vehicle. Therefore, in the case of an electric vehicle, unlike a conventional vehicle by using a heat pump system for cooling and heating.

히트 펌프시스템은 냉매가 순환하는 냉매배관에 흐르는 냉매의 증발이나 액화와 같은 상 변화에 의한 열의 흡수나 방출에 의해 냉방 또는 난방을 하는 장치이다. 히트 펌프시스템은 사방밸브를 이용해서 냉매가 순환하는 방향을 전환함으로써 하나의 장치로 냉방과 난방이 모두 가능하다. The heat pump system is an apparatus for cooling or heating by absorption or release of heat due to phase change such as evaporation or liquefaction of refrigerant flowing through a refrigerant pipe through which a refrigerant circulates. The heat pump system uses a four-way valve to change the direction in which the refrigerant circulates, allowing both cooling and heating in one unit.

도 1을 참고하면, 종래의 전기 자동차용 히트 펌프시스템은 냉매를 압축시키는 압축기(10)와, 냉매와 실내 공기를 열교환시키는 실내 열교환기(20)와, 냉매를 저온저압 상태로 팽창시켜 출력하는 팽창밸브(30)와, 냉매와 실외 공기를 열교환시키는 실외 열교환기(40)와, 열교환 사이클을 냉방 사이클과 난방 사이클로 전환할 수 있도록, 냉매의 흐름의 역전시키는 사방밸브(50)를 포함한다. Referring to FIG. 1, a conventional heat pump system for an electric vehicle includes a compressor 10 for compressing a refrigerant, an indoor heat exchanger 20 for exchanging refrigerant with indoor air, and an expansion of the refrigerant in a low temperature and low pressure state. An expansion valve 30, an outdoor heat exchanger 40 for exchanging the refrigerant and outdoor air, and a four-way valve 50 for reversing the flow of the refrigerant so that the heat exchange cycle can be switched between a cooling cycle and a heating cycle.

도 1에서 점선으로 표시된 냉방 사이클에서는 실내 열교환기(20)에서 증발이 일어나면서, 실내의 온도가 낮아지며, 실선으로 표시된 난방 사이클에서는 실내 열교환기(20)에서 응축이 일어나면서, 실내의 온도가 높아진다. 즉, 냉방 사이클에서는 실내 열교환기(20)가 증발기로서 작용하며, 난방 사이클에서는 실내 열교환기(20)가 응축기로서 작용한다. In the cooling cycle indicated by the dotted line in FIG. 1, as the evaporation occurs in the indoor heat exchanger 20, the temperature of the room decreases. In the heating cycle indicated by the solid line, condensation occurs in the indoor heat exchanger 20, the indoor temperature increases. . That is, the indoor heat exchanger 20 acts as an evaporator in a cooling cycle, and the indoor heat exchanger 20 acts as a condenser in a heating cycle.

본 발명에 있어서, 주로 문제가 되는 난방 사이클에 대해서 좀 더 상세하게 설명한다. 압축기(10)에서 압축된 냉매는 실내 열교환기(20)에서 열을 방출하면서 응축되어 고온고압의 액체가 된다. 고온고압의 냉매는 팽창밸브(30)를 통과하여 저온저압 상태가 된다. 팽창밸브(30)는 모세관 형태로서 냉매의 증발이 용이하도록 압력을 낮추는 역할을 한다. 저온저압 상태의 냉매는 실외 열교환기(40)에서 열을 흡수하면서 증발하여 저온저압의 기체 상태가 된다. 이러한 저온저압의 기체 상태 냉매는 압축기(10)에서 다시 고온고압의 기체 상태가 된다. In the present invention, a heating cycle which is mainly a problem will be described in more detail. The refrigerant compressed by the compressor 10 is condensed while releasing heat from the indoor heat exchanger 20 to form a liquid of high temperature and high pressure. The high temperature and high pressure refrigerant passes through the expansion valve 30 to a low temperature and low pressure state. Expansion valve 30 serves to lower the pressure to facilitate the evaporation of the refrigerant in the form of a capillary tube. The refrigerant in the low temperature low pressure state is evaporated while absorbing heat from the outdoor heat exchanger 40 to become a low temperature low pressure gas state. The low-temperature low-pressure gaseous refrigerant is converted into a high-temperature, high-pressure gas state in the compressor 10 again.

상술한 바와 같이, 난방 사이클에서는 실외 열교환기(40)가 증발기로서 기능을 하여야 한다. 그러나 실외온도가 영하로 내려가게 되면 실외 열교환기(40)에 성에가 쌓이게 되어서 실외 열교환기(40)의 열교환 성능이 급격하게 떨어진다. As mentioned above, the outdoor heat exchanger 40 should function as an evaporator in the heating cycle. However, when the outdoor temperature falls below zero, frost builds up on the outdoor heat exchanger 40, so that the heat exchange performance of the outdoor heat exchanger 40 is drastically reduced.

이러한 문제점을 해결하기 위해서, 실외 열교환기를 가열하거나, 냉방 사이클로 전환하는 등 다양한 제상 방법이 제시되었다. In order to solve this problem, various defrosting methods have been proposed, such as heating the outdoor heat exchanger or switching to a cooling cycle.

또한, 공개특허 제2005-0026591호와 등록특허 제0572613호에는 엔진의 열에 의해서 냉매를 가열하는 냉매가열기를 구비한 공기조화기와 구동모터의 열을 이용하는 전기자동차용 히트 펌프 시스템이 개시되어 있다. In addition, Patent Publication No. 2005-0026591 and Patent No. 0572613 disclose a heat pump system for an electric vehicle using the heat of the drive motor and the air conditioner having a refrigerant heater for heating the refrigerant by the heat of the engine.

공개특허 제2005-0026591호Patent Publication No. 2005-0026591 등록특허 제0572613호Registered Patent No. 0572613

상술한 공기조화기와 히트 펌프 시스템은 다음과 같은 문제점이 있다. The air conditioner and heat pump system described above have the following problems.

냉매가열기는 압축기를 작동시키는 엔진의 열에 의해서 냉매를 가열한다. 그러나 겨울 아침과 같이 온도가 매우 낮을 때 운전자가 차량에 탑승하여 운행을 시작하는 경우, 엔진이 충분히 가열되어 있지 않기 때문에 냉매가열기가 냉매를 가열할 수 없다. 따라서 충분한 난방이 곤란하고, 운전자는 한동안 추위에 떨어야 한다.The refrigerant heater heats the refrigerant by the heat of the engine that operates the compressor. However, when the driver starts to ride the vehicle when the temperature is very low, such as a winter morning, the refrigerant heater cannot heat the refrigerant because the engine is not sufficiently heated. Therefore, sufficient heating is difficult, and the driver must fall into the cold for a while.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 외부요건과 관계없이 항상 충분한 난방이 가능한 전기 자동차용 히트 펌프 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a heat pump system for an electric vehicle which can always be sufficiently heated regardless of external requirements.

또한, 제상이 필요 없는 전기 자동차용 히트 펌프 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. Moreover, it aims at providing the heat pump system for electric vehicles which does not need defrost.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 전기 자동차용 히트 펌프 시스템은, 냉매를 압축시키는 압축기와, 냉매와 실내 공기를 열교환시키는 실내 열교환기와, 냉매를 저온저압 상태로 팽창시켜 출력하는 팽창밸브와, 냉매와 실외 공기를 열교환시키는 실외 열교환기와, 실외 열교환기, 압축기, 실내 열교환기와 연결되며, 열교환 사이클을 냉방 사이클과 난방 사이클로 전환할 수 있도록, 냉매의 흐름의 역전시키는 사방밸브를 포함한다. The heat pump system for an electric vehicle according to an embodiment of the present invention for achieving the above object, a compressor for compressing the refrigerant, an indoor heat exchanger for heat exchange between the refrigerant and indoor air, and expands and outputs the refrigerant to a low temperature low pressure state An expansion valve, an outdoor heat exchanger for exchanging refrigerant and outdoor air, and an outdoor heat exchanger, a compressor, and an indoor heat exchanger, and a four-way valve for reversing the flow of refrigerant to convert the heat exchange cycle into a cooling cycle and a heating cycle. do.

또한, 보조 열교환장치와, 냉매의 흐름을 전환시키는 제1삼방밸브와 온도센서 및 제어기를 더 포함한다.The apparatus may further include an auxiliary heat exchanger, a first three-way valve, a temperature sensor, and a controller for switching the flow of the refrigerant.

보조 열교환장치는 실외 열교환기와 병렬로 연결되고, 냉매와 구동모터에 의해서 가열된 냉각수 사이의 열교환을 행하여 냉매를 가열하는 보조 열교환기와 냉매를 가열하는 전기히터를 포함한다. 보조 열교환장치는 실외 온도가 낮아서 실외 열교환기가 작동하기 어려운 겨울철에 냉매에 열을 전달하여 증발시키는 역할을 한다. The auxiliary heat exchanger is connected in parallel with the outdoor heat exchanger, and includes an auxiliary heat exchanger for heating the refrigerant by performing heat exchange between the refrigerant and the cooling water heated by the driving motor, and an electric heater for heating the refrigerant. The auxiliary heat exchanger transmits heat to the refrigerant in the winter when the outdoor heat exchanger is difficult to operate due to the low outdoor temperature, thereby evaporating.

제1삼방밸브는 보조 열교환기, 외부 열교환기, 팽창밸브와 연결되며, 팽창밸브에서 팽창된 냉매가 보조 열교환기 또는 외부 열교환기를 향해 흐르도록 냉매의 흐름을 전환시킨다. The first three-way valve is connected to the auxiliary heat exchanger, the external heat exchanger, and the expansion valve, and switches the flow of the refrigerant so that the refrigerant expanded in the expansion valve flows toward the auxiliary heat exchanger or the external heat exchanger.

온도센서는 보조 열교환장치 내부를 순환하는 냉각수의 온도를 측정하여 그 값을 출력한다.The temperature sensor measures the temperature of the cooling water circulating in the auxiliary heat exchanger and outputs the value.

제어기는 온도센서에서 출력된 냉각수 온도 값을 미리 설정된 값과 비교하여, 냉각수 온도가 설정온도 미만인 경우에는 전기히터에 전원을 공급하고, 온도가 설정온도 이상인 경우에는 전기히터에 전원을 차단한다. The controller compares the coolant temperature value output from the temperature sensor with a preset value, and supplies power to the electric heater when the coolant temperature is lower than the set temperature, and cuts off the power to the electric heater when the temperature is higher than the set temperature.

본 발명에 따른 전기 자동차용 히트 펌프 시스템은, 외부 기온이 떨어지면 실외 열교환기가 아닌 보조 열교환장치를 이용하여 냉매에 열을 공급하므로, 실외 열교환기에 쌓인 성에를 제거할 필요가 없다. The heat pump system for an electric vehicle according to the present invention supplies heat to the refrigerant by using an auxiliary heat exchanger instead of an outdoor heat exchanger when the outside temperature drops, so that frost accumulated in the outdoor heat exchanger does not need to be removed.

또한, 전기자동차의 구동모터에서 발생하는 폐열을 이용하므로 에너지 효율이 높다. 또한, 구동모터의 온도가 충분히 상승하기 전까지는 별도의 전기히터를 이용해서 냉매에 열을 공급하므로, 구동 초기에도 충분한 난방이 가능하다. In addition, the energy efficiency is high because the waste heat generated by the driving motor of the electric vehicle is used. In addition, since the heat is supplied to the refrigerant using a separate electric heater until the temperature of the driving motor is sufficiently increased, sufficient heating is possible even at the beginning of driving.

또한, 온도센서와 제어기를 통해서 구동모터에서 발생하는 폐열에 의해서 가열된 냉각수의 온도를 측정하고, 전기히터 on-off 및 냉각수의 흐름을 즉시 제어하므로 에너지의 손실을 최소화할 수 있다. In addition, by measuring the temperature of the coolant heated by the waste heat generated from the drive motor through the temperature sensor and the controller, and controlling the electric heater on-off and the flow of the coolant immediately it can minimize the loss of energy.

상술한 본 발명의 일실시예에 따른 전기 자동차용 히트 펌프 시스템은 제2삼방밸브를 더 포함할 수 있다.Heat pump system for an electric vehicle according to an embodiment of the present invention described above may further include a second three-way valve.

제2삼방밸브는 보조 열교환기, 구동모터, 구동모터에 의해서 가열된 냉각수를 냉각시키기 위한 라디에이터와 연결되며, 구동모터에 의해서 가열된 냉각수가 보조 열교환기 또는 라디에이터를 향해 흐르도록 냉각수의 흐름을 전환시킨다. The second three-way valve is connected to a radiator for cooling the coolant heated by the auxiliary heat exchanger, the drive motor, and the drive motor, and switches the flow of the coolant so that the coolant heated by the drive motor flows toward the auxiliary heat exchanger or the radiator. Let's do it.

이때 상술한 제어기는 온도센서에서 출력된 냉각수 온도 값을 미리 설정된 값과 비교하여, 냉각수 온도가 설정온도 미만인 경우에는 제2삼방밸브를 제어하여 냉각수가 라디에이터를 향해 흐르도록 하며, 온도가 설정온도 이상인 경우에는 제2삼방밸브를 제어하여 냉각수가 보조 열교환기를 향해 흐르도록 한다. In this case, the controller compares the coolant temperature value output from the temperature sensor with a preset value, and when the coolant temperature is lower than the set temperature, controls the second three-way valve so that the coolant flows toward the radiator. In this case, the second three-way valve is controlled to allow the coolant to flow toward the auxiliary heat exchanger.

또한, 상술한 본 발명의 일실시예에 따른 전기 자동차용 히트 펌프 시스템은 난방 사이클 시에 외부온도를 측정하여 그 값을 출력하는 외부온도센서를 더 포함할 수 있다. In addition, the heat pump system for an electric vehicle according to an embodiment of the present invention described above may further include an external temperature sensor for measuring an external temperature during a heating cycle and outputting a value thereof.

이때 제어기는 외부온도센서에서 출력된 외부온도 값을 미리 설정된 값과 비교하여, 외부온도가 설정온도 미만인 경우에는 제1삼방밸브를 제어하여 냉매가 보조 열교환기를 향해 흐르도록 하며, 외부온도가 설정온도 이상인 경우에는 제1삼방밸브를 제어하여 냉매가 외부 열교환기를 향해 흐르도록 한다.At this time, the controller compares the external temperature value output from the external temperature sensor with a preset value. When the external temperature is less than the set temperature, the controller controls the first three-way valve to allow the refrigerant to flow toward the auxiliary heat exchanger. In this case, the first three-way valve is controlled to allow the refrigerant to flow toward the external heat exchanger.

본 발명에 따른 전기 자동차용 히트 펌프 시스템은, 외부 기온이 떨어지면 실외 열교환기가 아닌 보조 열교환장치를 이용하여 냉매에 열을 공급하므로, 실외 열교환기에 쌓인 성에를 제거할 필요가 없다.The heat pump system for an electric vehicle according to the present invention supplies heat to the refrigerant by using an auxiliary heat exchanger instead of an outdoor heat exchanger when the outside temperature drops, so that frost accumulated in the outdoor heat exchanger does not need to be removed.

또한, 본 발명에 따른 전기 자동차용 히트 펌프 시스템은, 전기자동차의 구동모터에서 발생하는 폐열을 이용하므로 에너지 효율이 높다. In addition, since the heat pump system for an electric vehicle according to the present invention uses waste heat generated from a driving motor of the electric vehicle, energy efficiency is high.

또한, 구동모터의 온도가 충분히 상승하기 전까지는 별도의 전기히터를 이용해서 냉매에 열을 공급하므로, 구동 초기에도 충분한 난방이 가능하다. In addition, since the heat is supplied to the refrigerant using a separate electric heater until the temperature of the driving motor is sufficiently increased, sufficient heating is possible even at the beginning of driving.

또한, 온도센서와 제어기를 통해서 구동모터에서 발생하는 폐열에 의해서 가열된 냉각수의 온도를 측정하고, 전기히터 ON-OFF 및 냉각수의 흐름을 즉시 제어하므로 에너지의 손실을 최소화할 수 있다. In addition, by measuring the temperature of the coolant heated by the waste heat generated from the drive motor through the temperature sensor and the controller, and controlling the electric heater ON-OFF and the flow of the coolant immediately it can minimize the loss of energy.

도 1은 종래의 전기 자동차용 히트 펌프시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 전기 자동차용 히트 펌프 시스템의 일실시예의 냉방 사이클을 설명하기 위한 도면이다.
도 3 내지 5는 본 발명에 따른 전기 자동차용 히트 펌프 시스템의 일실시예의 난방 사이클을 설명하기 위한 도면이다. 1 is a schematic diagram of a conventional heat pump system for an electric vehicle.
2 is a view for explaining a cooling cycle of an embodiment of the heat pump system for an electric vehicle according to the present invention.
3 to 5 are views for explaining a heating cycle of an embodiment of the heat pump system for an electric vehicle according to the present invention.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상의 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various forms, and only the present embodiments are intended to complete the disclosure of the present invention and to those skilled in the art to fully understand the scope of the invention. It is provided to inform you. Like reference numerals refer to like elements throughout.

도 2는 본 발명에 따른 전기 자동차용 히트 펌프 시스템의 일실시예의 냉방 사이클을 설명하기 위한 도면이며, 도 3 내지 5는 본 발명에 따른 전기 자동차용 히트 펌프 시스템의 일실시예의 난방 사이클을 설명하기 위한 도면이다. 2 is a view for explaining a cooling cycle of an embodiment of the heat pump system for an electric vehicle according to the present invention, Figures 3 to 5 illustrate a heating cycle of an embodiment of the heat pump system for an electric vehicle according to the present invention. It is for the drawing.

도 2 내지 5를 참고하면, 본 발명에 따른 전기 자동차용 히트 펌프 시스템의 일실시예는 냉매를 압축시키는 압축기(10), 실내 열교환기(20), 팽창밸브(30), 실외 열교환기(40), 냉매의 흐름의 역전시키는 사방밸브(50), 보조 열교환장치(60), 냉매의 흐름을 전환시키는 제1삼방밸브(70)와 냉각수의 흐름을 전환시키는 제2삼방밸브(72), 온도센서(63), 외부온도센서(미도시) 및 제어기(미도시)를 포함한다. 2 to 5, an embodiment of the heat pump system for an electric vehicle according to the present invention includes a compressor 10 for compressing a refrigerant, an indoor heat exchanger 20, an expansion valve 30, and an outdoor heat exchanger 40. ), The four-way valve 50 to reverse the flow of the refrigerant, the auxiliary heat exchanger 60, the first three-way valve 70 to switch the flow of the refrigerant and the second three-way valve 72 to switch the flow of the cooling water, temperature Sensor 63, an external temperature sensor (not shown) and a controller (not shown).

압축기(10)는 모터(11)와 모터(11)의 회전력 전달을 단속하는 클러치(12)를 포함한다. 압축기(10)는 냉매가 응축되기 용이하도록 가압하는 역할을 한다. Compressor 10 includes a clutch 12 for intermittent rotational force transmission of the motor 11 and the motor (11). The compressor 10 serves to pressurize the refrigerant to facilitate condensation.

실내 열교환기(20)는 냉매의 열을 실내에 전달하는 역할을 한다. 냉방 사이클에서는 증발기로서 작용하며, 난방 사이클에서는 응축기로서 작용한다. The indoor heat exchanger 20 serves to transfer the heat of the refrigerant to the room. It acts as an evaporator in the cooling cycle and as a condenser in the heating cycle.

팽창밸브(30)는 모세관 형태로서 냉매를 팽창시켜 냉매가 증발기에서 용이하게 증발되도록 한다. The expansion valve 30 expands the refrigerant in the form of a capillary tube so that the refrigerant easily evaporates in the evaporator.

실외 열교환기(40)는 실외의 열을 냉매에 전달하는 역할을 한다. 냉방 사이클에서는 응축기로서 작용하며, 난방 사이클에서는 증발기로서 작용한다. The outdoor heat exchanger 40 serves to transfer outdoor heat to the refrigerant. It acts as a condenser in the cooling cycle and as an evaporator in the heating cycle.

사방밸브(50)는 압축기(10)에서 압축된 냉매의 흐름을 사이클에 따라서 역전시키는 역할을 한다. 난방사이클에서는 압축기(10)에서 압축된 냉매를 실내 열교환기(20) 방향으로 흐르도록 하며, 냉방사이클에서는 실외 열교환기(40) 또는 보조 열교환장치(60) 방향으로 흐르도록 한다. The four-way valve 50 serves to reverse the flow of the refrigerant compressed by the compressor 10 in accordance with the cycle. In the heating cycle, the refrigerant compressed by the compressor 10 flows in the direction of the indoor heat exchanger 20, and in the cooling cycle, flows in the direction of the outdoor heat exchanger 40 or the auxiliary heat exchanger 60.

보조 열교환장치(60)는 보조 열교환기(61), 전기히터(62) 및 온도센서(63)를 포함한다. The auxiliary heat exchanger 60 includes an auxiliary heat exchanger 61, an electric heater 62, and a temperature sensor 63.

보조 열교환장치(60)의 보조 열교환기(61)는 냉매배관(L1) 및 냉각수배관(L2)과 연결되어, 구동모터(1)의 작동으로 발생한 폐열에 의해서 가열된 냉각수의 열을 냉매에 전달하는 역할을 한다. The auxiliary heat exchanger 61 of the auxiliary heat exchanger 60 is connected to the refrigerant pipe L1 and the cooling water pipe L2 to transfer the heat of the cooling water heated by the waste heat generated by the operation of the driving motor 1 to the refrigerant. It plays a role.

전기히터(62)는 냉각수의 온도가 낮은 경우, 냉각수 대신 보조 열교환기(61)를 지나는 냉매를 가열하는 역할을 한다. 온도센서(63)는 보조 열교환기(61)에 유입되는 냉각수의 온도를 측정하는 역할을 한다. When the temperature of the cooling water is low, the electric heater 62 serves to heat the refrigerant passing through the auxiliary heat exchanger 61 instead of the cooling water. The temperature sensor 63 serves to measure the temperature of the cooling water flowing into the auxiliary heat exchanger 61.

제1삼방밸브(70)는 팽창밸브(30), 보조 열교환기(61) 및 실외 열교환기(40)와 연결된다. 제1삼방밸브(70)는 팽창밸브(30)에서 팽창된 냉매의 순환경로를 변경시켜 보조 열교환기(61)와 실외 열교환기(40) 중에서 하나를 향해서 흐르도록 하는 역할을 한다. The first three-way valve 70 is connected to the expansion valve 30, the auxiliary heat exchanger 61 and the outdoor heat exchanger (40). The first three-way valve 70 changes the circulation path of the refrigerant expanded in the expansion valve 30 so as to flow toward one of the auxiliary heat exchanger 61 and the outdoor heat exchanger 40.

제2삼방밸브(72)는 구동모터(1), 보조 열교환기(61) 및 라디에이터(2)와 연결된다. 제2삼방밸브(72)는 구동모터(1)의 폐열에 의해서 가열된 냉각수의 순환경로를 전환하여 보조 열교환기(61)와 라디에이터(2) 중에서 하나를 향해서 흐르도록 하는 역할을 한다. The second three-way valve 72 is connected to the drive motor 1, the auxiliary heat exchanger 61, and the radiator 2. The second three-way valve 72 serves to switch the circulation path of the cooling water heated by the waste heat of the driving motor 1 to flow toward one of the auxiliary heat exchanger 61 and the radiator 2.

외부온도센서는 실외 열교환기(40) 부근의 온도를 측정한다. The external temperature sensor measures the temperature near the outdoor heat exchanger 40.

제어기는 온도센서(63)와 외부온도센서에서 출력된 신호를 입력받아서 미리 정해진 온도 값과 비교한 후 제1삼방밸브(70), 제2삼방밸브(72) 및 전기히터(62)를 제어하는 역할을 한다. 제어기는 냉매를 증발시키기 위해서 열을 공급하는 수단으로 보조 열교환장치(60)의 보조 열교환기(61) 또는 전기히터(62)와 실외 열교환기(40) 중에서 하나를 선택하는 역할을 한다. The controller controls the first three-way valve 70, the second three-way valve 72, and the electric heater 62 after comparing the signals output from the temperature sensor 63 and the external temperature sensor with a predetermined temperature value. Play a role. The controller selects one of the auxiliary heat exchanger 61 or the electric heater 62 and the outdoor heat exchanger 40 of the auxiliary heat exchanger 60 as a means for supplying heat to evaporate the refrigerant.

우선, 도 2를 참고하여, 냉방 사이클을 기준으로 전기 자동차용 히트 펌프 시스템의 작용에 대해서 설명한다. First, with reference to FIG. 2, the operation of the heat pump system for an electric vehicle will be described based on the cooling cycle.

압축기(10)는 저온저압의 기체상태인 냉매를 압축하여 고온고압 상태로 변화시킨다. The compressor 10 compresses the refrigerant, which is a gaseous state of low temperature and low pressure, to change the high temperature and high pressure state.

압축기(10)에서 고온고압상태로 변화된 냉매는 사방밸브(50)를 통과한 후 실외 열교환기(40)에서 열을 방출하면서 응축되어 고온고압의 액체가 된다. The refrigerant changed to the high temperature and high pressure state in the compressor 10 is condensed by passing heat from the outdoor heat exchanger 40 after passing through the four-way valve 50 to become a liquid of high temperature and high pressure.

고온고압의 액체 냉매는 팽창밸브(30)를 통해서 감압되고 저온저압의 액체 상태의 냉매가 된다. The high temperature and high pressure liquid refrigerant is decompressed through the expansion valve 30 and becomes a low temperature low pressure liquid refrigerant.

팽창밸브(30)를 거친 냉매는 실내 열교환기(20)에서 열을 흡수하여 증발한다. 이때 송풍기(4)에 의해서 차량의 내부로 차가운 공기가 이동하여, 차량 내부의 온도가 낮아진다. The refrigerant passing through the expansion valve 30 absorbs heat from the indoor heat exchanger 20 and evaporates. At this time, the cool air moves to the inside of the vehicle by the blower 4, and the temperature inside the vehicle is lowered.

다음, 사방밸브(50)와 기액분리기(80)를 통과한 후 다시 압축기(10)에서 고온고압의 기체상태가 된다. 기액분리기(80)는 저온저압의 냉매에서 액체와 기체를 분리하여 기체만을 압축함으로써, 압축기(10)에서 냉매를 고온고압의 기체 냉매로 효과적으로 변환하도록 한다. Next, after passing through the four-way valve 50 and the gas-liquid separator 80, the compressor 10 again becomes a high-temperature, high-pressure gas state. The gas-liquid separator 80 separates the liquid and the gas from the low temperature low pressure refrigerant and compresses only the gas, thereby effectively converting the refrigerant into the high temperature high pressure gas refrigerant.

본 발명에 따른 전기 자동차용 히트 펌프 시스템의 일실시예의 냉방 사이클은 종래의 히트 펌프 시스템의 냉방 사이클과 차이가 없다.The cooling cycle of one embodiment of the heat pump system for an electric vehicle according to the present invention is no different from the cooling cycle of a conventional heat pump system.

다음, 도 3 내지 5를 참고하여, 난방 사이클을 기준으로 전기 자동차용 히트 펌프 시스템의 작용에 대해서 설명한다. 난방 사이클에서는 사방밸브(50)에 의해서 냉매의 순환방향이 반대로 전환된다. 난방 사이클에 있어서, 냉매를 증발시키기 위해서 열을 공급하는 수단은 보조 열교환장치(60)의 보조 열교환기(61) 또는 전기히터(62)와 실외 열교환기(40) 중에서 선택된다. Next, with reference to Figures 3 to 5, the operation of the heat pump system for an electric vehicle based on the heating cycle will be described. In the heating cycle, the circulating direction of the refrigerant is reversed by the four-way valve 50. In the heating cycle, the means for supplying heat to evaporate the refrigerant is selected from the auxiliary heat exchanger 61 or the electric heater 62 and the outdoor heat exchanger 40 of the auxiliary heat exchanger 60.

실외 온도가 충분히 높아 실외 열교환기(40)에 성에가 쌓이지 않고 원활하게 작동하는 경우에는 실외 열교환기(40)가 증발기로서의 역할을 한다. 실외 온도가 기준온도 이상인 경우, 제어기는 제1삼방밸브(70)를 제어하여 냉매가 실외 열교환기(40)를 향해 흐르도록 한다. 또한, 제2삼방밸브(72)를 제어하여 냉각수가 라디에이터(2)를 향해 흐르도록 한다. If the outdoor temperature is high enough to operate smoothly without frost accumulated in the outdoor heat exchanger 40, the outdoor heat exchanger 40 serves as an evaporator. When the outdoor temperature is greater than or equal to the reference temperature, the controller controls the first three-way valve 70 to allow the refrigerant to flow toward the outdoor heat exchanger 40. In addition, the second three-way valve 72 is controlled to allow the cooling water to flow toward the radiator 2.

이 경우에는 도 3에 도시된 바와 같이, 압축기(10)에서 고온고압상태로 변화된 냉매는 사방밸브(50)를 통과한 후 실내 열교환기(20)에서 열을 방출하면서 응축되어 고온고압의 액체가 된다. 이때 차량 내부의 온도가 높아진다. In this case, as shown in FIG. 3, the refrigerant changed to the high temperature and high pressure state in the compressor 10 is condensed while passing through the four-way valve 50 and releasing heat from the indoor heat exchanger 20 so that the liquid at high temperature and high pressure is condensed. do. At this time, the temperature inside the vehicle increases.

고온고압의 액체 냉매는 팽창밸브(30)를 통해서 감압되고 저온저압의 액체 상태의 냉매가 된다. The high temperature and high pressure liquid refrigerant is decompressed through the expansion valve 30 and becomes a low temperature low pressure liquid refrigerant.

팽창밸브(30)를 거친 냉매는 제1삼방밸브(70)를 통과한 후 실외 열교환기(40)에서 열을 흡수하여 증발한다. The refrigerant passing through the expansion valve 30 passes through the first three-way valve 70 and absorbs heat from the outdoor heat exchanger 40 to evaporate.

다음, 사방밸브(50)와 기액분리기(80)를 통과한 후 다시 압축기(10)에서 고온고압의 기체상태가 된다. Next, after passing through the four-way valve 50 and the gas-liquid separator 80, the compressor 10 again becomes a high-temperature, high-pressure gas state.

구동모터(1)의 폐열에 의해서 가열된 냉각수는 라디에이터(2)에서 냉각된 후 다시 구동모터(1)를 냉각하는데 사용된다. The cooling water heated by the waste heat of the drive motor 1 is used to cool the drive motor 1 after it is cooled in the radiator 2 again.

실외 온도가 영하이고, 구동모터(1)가 작동을 시작한 직후에는 냉각수의 온도가 낮다. 이때에는 전기히터(62)가 냉매에 열을 공급한다. 제어기는 제1삼방밸브(70)를 제어하여 냉매가 보조 열교환장치(60)를 향해 흐르도록 한다. 또한, 제2삼방밸브(72)를 제어하여 냉각수가 라디에이터(2)를 향해 흐르도록 한다. 그리고 전기히터(62)에 전원을 공급한다. The outdoor temperature is below zero, and the temperature of the coolant is low immediately after the drive motor 1 starts to operate. At this time, the electric heater 62 supplies heat to the refrigerant. The controller controls the first three-way valve 70 to allow the refrigerant to flow toward the auxiliary heat exchanger 60. In addition, the second three-way valve 72 is controlled to allow the cooling water to flow toward the radiator 2. Then, power is supplied to the electric heater 62.

이 경우에는 도 4에 도시된 바와 같이, 압축기(10)에서 고온고압상태로 변화된 냉매는 사방밸브(50)를 통과한 후 실내 열교환기(20)에서 열을 방출하면서 응축되어 고온고압의 액체가 된다. 이때 차량 내부의 온도가 높아진다. In this case, as shown in FIG. 4, the refrigerant changed to the high temperature and high pressure state in the compressor 10 is condensed while passing through the four-way valve 50 and releasing heat from the indoor heat exchanger 20 so that the liquid at high temperature and high pressure is condensed. do. At this time, the temperature inside the vehicle increases.

고온고압의 액체 냉매는 팽창밸브(30)를 통해서 감압되고 저온저압의 액체 상태의 냉매가 된다. 여기까지는 도 3에 도시된 사이클과 동일하다. The high temperature and high pressure liquid refrigerant is decompressed through the expansion valve 30 and becomes a low temperature low pressure liquid refrigerant. This is the same as the cycle shown in FIG.

팽창밸브(30)를 거친 냉매는 제1삼방밸브(70)를 통과한 후 보조 열교환장치(60) 방향으로 흐른다. 냉매는 보조 열교환장치(60)의 보조 열교환기(61) 주위에 설치된 전기히터(62)에 의해서 보조 열교환기(61)를 지나는 과정에서 열을 흡수하여 증발한다. The refrigerant passing through the expansion valve 30 flows in the direction of the auxiliary heat exchanger 60 after passing through the first three-way valve 70. The refrigerant absorbs heat and evaporates while passing through the auxiliary heat exchanger 61 by an electric heater 62 installed around the auxiliary heat exchanger 61 of the auxiliary heat exchanger 60.

다음, 사방밸브(50)와 기액분리기(80)를 통과한 후 다시 압축기(10)에서 고온고압의 기체상태가 된다. Next, after passing through the four-way valve 50 and the gas-liquid separator 80, the compressor 10 again becomes a high-temperature, high-pressure gas state.

이 경우에도 구동모터(1)의 폐열에 의해서 가열된 냉각수는 라디에이터(2)에서 냉각된 후 다시 구동모터(1)를 냉각하는데 사용된다.Also in this case, the cooling water heated by the waste heat of the drive motor 1 is used to cool the drive motor 1 after it is cooled in the radiator 2 again.

실외 온도가 영하이고, 구동모터(1)가 작동을 시작한 상당 시간이 흘러 냉각수의 온도가 높아지면, 보조 열교환기(61)가 냉각수와의 열교환을 통해서 증발기로서의 역할을 한다. 제어기는 제1삼방밸브(70)를 제어하여 냉매가 보조 열교환장치(60)를 향해 흐르도록 한다. 또한, 제2삼방밸브(72)를 제어하여 냉각수가 보조 열교환기(61)를 향해 흐르도록 한다. 그리고 전기히터(62)에 전원을 차단한다. When the outdoor temperature is below zero, and a considerable time after the driving motor 1 starts to operate, the temperature of the cooling water becomes high, the auxiliary heat exchanger 61 serves as an evaporator through heat exchange with the cooling water. The controller controls the first three-way valve 70 to allow the refrigerant to flow toward the auxiliary heat exchanger 60. In addition, the second three-way valve 72 is controlled to allow the cooling water to flow toward the auxiliary heat exchanger 61. Then, the power is cut off to the electric heater 62.

이 경우에는 도 5에 도시된 바와 같이, 압축기(10)에서 고온고압상태로 변화된 냉매는 사방밸브(50)를 통과한 후 실내 열교환기(20)에서 열을 방출하면서 응축되어 고온고압의 액체가 된다. 이때 차량 내부의 온도가 높아진다. In this case, as shown in FIG. 5, the refrigerant changed to the high temperature and high pressure state in the compressor 10 is condensed while passing the four-way valve 50 and releasing heat from the indoor heat exchanger 20 so that the liquid of high temperature and high pressure is condensed. do. At this time, the temperature inside the vehicle increases.

고온고압의 액체 냉매는 팽창밸브(30)를 통해서 감압되고 저온저압의 액체 상태의 냉매가 된다. 여기까지는 도 3에 도시된 사이클과 동일하다. The high temperature and high pressure liquid refrigerant is decompressed through the expansion valve 30 and becomes a low temperature low pressure liquid refrigerant. This is the same as the cycle shown in FIG.

팽창밸브(30)를 거친 냉매는 제1삼방밸브(70)를 통과한 후 보조 열교환장치(60) 방향으로 흐른다. 냉매는 보조 열교환장치(60)의 보조 열교환기(61)에서 냉각수와의 열교환을 통해서 열을 흡수하여 증발한다. The refrigerant passing through the expansion valve 30 flows in the direction of the auxiliary heat exchanger 60 after passing through the first three-way valve 70. The refrigerant absorbs heat through the heat exchange with the cooling water in the auxiliary heat exchanger 61 of the auxiliary heat exchanger 60 and evaporates.

다음, 사방밸브(50)와 기액분리기(80)를 통과한 후 다시 압축기(10)에서 고온고압의 기체상태가 된다. Next, after passing through the four-way valve 50 and the gas-liquid separator 80, the compressor 10 again becomes a high-temperature, high-pressure gas state.

이 경우 구동모터(1)의 폐열에 의해서 가열된 냉각수는 라디에이터(2)가 아닌 보조 열교환기(61)에서 냉각된 후 구동모터(1)를 냉각하는데 사용된다. In this case, the cooling water heated by the waste heat of the drive motor 1 is used to cool the drive motor 1 after being cooled in the auxiliary heat exchanger 61 instead of the radiator 2.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다. While the above has been shown and described with respect to preferred embodiments of the present invention, the present invention is not limited to the specific embodiments described above, it is usually in the technical field to which the invention belongs without departing from the spirit of the invention claimed in the claims. Various modifications can be made by those skilled in the art, and these modifications should not be individually understood from the technical spirit or prospect of the present invention.

10: 압축기 20: 실내 열교환기
30: 팽창밸브 40: 실외 열교환기
50: 사방밸브 60: 보조 열교환장치
61: 보조 열교환기 62: 전기히터
63: 온도 센서 70: 제1삼방밸브
72: 제2삼방밸브 80: 기액분리기10: compressor 20: indoor heat exchanger
30: expansion valve 40: outdoor heat exchanger
50: four-way valve 60: auxiliary heat exchanger
61: auxiliary heat exchanger 62: electric heater
63: temperature sensor 70: first three-way valve
72: second three-way valve 80: gas-liquid separator

Claims (3)

냉매를 압축시키는 압축기와, 상기 냉매와 실내 공기를 열교환시키는 실내 열교환기와, 상기 냉매를 저온저압 상태로 팽창시켜 출력하는 팽창밸브와, 상기 냉매와 실외 공기를 열교환시키는 실외 열교환기와, 상기 실외 열교환기, 상기 압축기, 상기 실내 열교환기와 연결되며, 열교환 사이클을 냉방 사이클과 난방 사이클로 전환할 수 있도록, 냉매의 흐름의 역전시키는 사방밸브를 포함하는 전기 자동차용 히트 펌프 시스템에 있어서,
상기 실외 열교환기와 병렬로 연결되고, 상기 냉매와 구동모터에 의해서 가열된 냉각수 사이의 열교환을 행하여 상기 냉매를 가열하는 보조 열교환기와 상기 냉매를 가열하는 전기히터를 포함하는 보조 열교환장치와,
상기 보조 열교환기, 상기 외부 열교환기, 상기 팽창밸브와 연결되며, 상기 팽창밸브에서 팽창된 냉매가 상기 보조 열교환기 또는 상기 외부 열교환기를 향해 흐르도록 냉매의 흐름을 전환시키는 제1삼방밸브와,
상기 보조 열교환장치 내부를 순환하는 냉각수의 온도를 측정하여 그 값을 출력하는 온도센서와,
상기 온도센서에서 출력된 냉각수 온도 값을 미리 설정된 값과 비교하여, 냉각수 온도가 설정온도 미만인 경우에는 전기히터에 전원을 공급하고, 온도가 설정온도 이상인 경우에는 전기히터에 전원을 차단하는 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 히트 펌프 시스템.A compressor for compressing a refrigerant, an indoor heat exchanger for exchanging the refrigerant with indoor air, an expansion valve for expanding the refrigerant to a low temperature and low pressure state, an outdoor heat exchanger for exchanging the refrigerant with outdoor air, and the outdoor heat exchanger In the heat pump system for an electric vehicle, connected to the compressor, the indoor heat exchanger, and including a four-way valve for reversing the flow of the refrigerant, so that the heat exchange cycle can be switched to the cooling cycle and the heating cycle,
An auxiliary heat exchanger connected in parallel with the outdoor heat exchanger, the auxiliary heat exchanger including an auxiliary heat exchanger for heating the refrigerant by performing heat exchange between the refrigerant and the cooling water heated by the driving motor, and an electric heater for heating the refrigerant;
A first three-way valve connected to the auxiliary heat exchanger, the external heat exchanger, and the expansion valve, and configured to switch the flow of the refrigerant so that the refrigerant expanded in the expansion valve flows toward the auxiliary heat exchanger or the external heat exchanger;
A temperature sensor measuring a temperature of the cooling water circulating in the auxiliary heat exchanger and outputting a value thereof;
By comparing the coolant temperature value output from the temperature sensor with a preset value, the controller supplies power to the electric heater when the coolant temperature is lower than the set temperature, and cuts off the power to the electric heater when the temperature is higher than the set temperature. Heat pump system for an electric vehicle comprising a. 제1항에 있어서,
상기 보조 열교환기, 상기 구동모터, 상기 구동모터에 의해서 가열된 냉각수를 냉각시키기 위한 라디에이터와 연결되며, 상기 구동모터에 의해서 가열된 냉각수가 상기 보조 열교환기 또는 상기 라디에이터를 향해 흐르도록 냉각수의 흐름을 전환시키는 제2삼방밸브를 더 포함하며,
상기 제어기는 상기 온도센서에서 출력된 냉각수 온도 값을 미리 설정된 값과 비교하여, 냉각수 온도가 설정온도 미만인 경우에는 상기 제2삼방밸브를 제어하여 냉각수가 상기 라디에이터를 향해 흐르도록 하며, 온도가 설정온도 이상인 경우에는 상기 제2삼방밸브를 제어하여 냉각수가 상기 보조 열교환기를 향해 흐르도록 하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 히트 펌프 시스템. The method of claim 1,
And a radiator for cooling the cooling water heated by the auxiliary heat exchanger, the driving motor and the driving motor, and flowing the cooling water such that the cooling water heated by the driving motor flows toward the auxiliary heat exchanger or the radiator. Further comprising a second three-way valve for switching,
The controller compares the coolant temperature value output from the temperature sensor with a preset value, and when the coolant temperature is lower than the set temperature, controls the second three-way valve so that the coolant flows toward the radiator, and the temperature is set to the set temperature. In the above case, the second three-way valve is controlled to allow cooling water to flow toward the auxiliary heat exchanger. 제1항 또는 제2항에 있어서,
난방 사이클 시에 외부온도를 측정하여 그 값을 출력하는 외부온도센서를 더 포함하며,
상기 제어기는 상기 외부온도센서에서 출력된 외부온도 값을 미리 설정된 값과 비교하여, 외부온도가 설정온도 미만인 경우에는 상기 제1삼방밸브를 제어하여 냉매가 상기 보조 열교환기를 향해 흐르도록 하며, 외부온도가 설정온도 이상인 경우에는 상기 제1삼방밸브를 제어하여 냉매가 상기 외부 열교환기를 향해 흐르도록 하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 히트 펌프 시스템. The method according to claim 1 or 2,
It further includes an external temperature sensor for measuring the external temperature during the heating cycle and outputs the value,
The controller compares the external temperature value output from the external temperature sensor with a preset value, and when the external temperature is less than the set temperature, controls the first three-way valve to allow the refrigerant to flow toward the auxiliary heat exchanger. Is greater than or equal to the set temperature, the first three-way valve to control the heat pump system for an electric vehicle characterized in that the refrigerant flows toward the external heat exchanger.
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