KR20190124899A - 열관리 시스템 - Google Patents

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KR20190124899A
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heat exchanger
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heat
cooling
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KR1020180048940A
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황인국
이성제
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한온시스템 주식회사
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Abstract

본 발명은 압축기, 제1열교환기, 제2팽창밸브 및 제3열교환기를 포함하고, 냉매가 순환되어 실내를 냉방하는 냉매 순환라인; 상기 제1열교환기를 통해 상기 냉매와 열교환되는 냉각수를 순환시켜 실내를 난방하며 배터리와 열교환되는 난방라인; 및 공기 또는 상기 냉매와 열교환되는 냉각수를 순환시켜 전장부품을 냉각시키는 냉각라인; 을 포함하여 이루어져, 전력 소모량을 감소시켜 배터리의 사용 시간을 증가시킬 수 있고, 부품수가 적고 구조가 단순하여 유지보수 비용 및 제조 원가가 절감되며, 배터리의 승온이 용이하고 배터리의 승온 작용에 의해 히트펌프로 작동 시 효율이 향상되는 열관리 시스템에 관한 것이다.

Description

열관리 시스템 {Thermal management system}
본 발명은 열관리 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차량의 냉방 및 난방은 물론 차량 내의 전장부품 및 배터리의 열을 관리하는 시스템에 관한 것이다.
최근 자동차 분야에서 환경 친화적 기술의 구현 및 에너지 고갈 등의 문제 해결책으로서 각광받고 있는 것이 전기 자동차이다.
전기 자동차는 배터리 또는 연료전지로부터 전력을 공급받아 구동되는 모터를 이용해 주행하기 때문에 탄소 배출이 적고 소음이 작다. 또한, 기존의 엔진보다 에너지 효율이 우수한 모터를 사용하기 때문에 친환경적이다.
그런데 전기 자동차는 배터리 및 모터의 작동 시 많은 열이 발생하기 때문에 열관리가 중요하다. 그리고 배터리를 재충전하는데 시간이 오래 소요되므로 효율적인 배터리 사용 시간의 관리가 중요하다. 특히, 전기 자동차는 실내 공조를 위해 구동되는 냉매 압축기도 전기로 구동되는바 더욱 배터리의 사용 시간 관리가 중요하다.
KR 2018-0007021 A (2018.01.22)
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 차량의 냉방 및 난방은 물론 차량 내의 전장부품 및 배터리의 열관리가 가능한 열관리 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 전력 소모량을 감소시켜 배터리의 사용 시간을 증가시킬 수 있는 열관리 시스템을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 열관리 시스템은, 압축기, 제1열교환기, 제2팽창밸브 및 제3열교환기를 포함하고, 냉매를 순환시켜 실내를 냉방하는 냉매 순환라인; 상기 제1열교환기를 통해 상기 냉매와 열교환되는 냉각수를 순환시켜 실내를 난방하며 배터리와 열교환되는 난방라인; 및 공기 또는 상기 냉매와 열교환되는 냉각수를 순환시켜 전장부품을 냉각시키는 냉각라인; 을 포함할 수 있다.
또한, 상기 배터리는 고체전해질전지일 수 있다.
또한, 상기 난방라인 및 냉각라인은 실내 냉방 모드 또는 실내 난방 모드에 따라 연결되거나 연결이 차단될 수 있다.
또한, 상기 실내 냉방 모드 시, 상기 난방라인 및 냉각라인은 서로 연결될 수 있다.
또한, 상기 난방라인 및 냉각라인은 직렬의 하나의 라인으로 연결될 수 있다.
또한, 상기 실내 난방 모드 시, 상기 난방라인 및 냉각라인은 서로 연결이 차단될 수 있다.
또한, 상기 냉각라인은, 상기 냉각라인의 일측에서 분기되어 상기 난방라인과 연결되는 제1연결라인; 및 상기 냉각라인의 타측에서 분기되어 상기 난방라인과 연결되는 제2연결라인;을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1연결라인, 제2연결라인 및 난방라인은 제1방향전환밸브에 연결되어, 상기 제1방향전환밸브에 의해 냉각라인과 난방라인이 서로 연결되거나 연결이 차단될 수 있다.
또한, 상기 전장부품은 상기 제1연결라인 또는 제2연결라인 상에 배치될 수 있다.
또한, 상기 냉매 순환라인은, 상기 제1열교환기에서 토출된 냉매를 교축 또는 바이패스 시키는 제1팽창밸브; 및 상기 제1팽창밸브에서 토출된 냉매를 공기와 열교환하여 상기 제2팽창밸브로 토출하는 제2열교환기;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1열교환기에서 토출된 냉매를 교축하거나 바이패스 시키거나 흐름을 차단하는 제3팽창밸브; 및 상기 제3팽창밸브에서 토출된 냉매를 상기 냉각라인의 냉각수와 열교환하는 제4열교환기; 를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 전장부품은 상기 제4열교환기와 열교환된 냉각수에 의해 냉각될 수 있다.
또한, 상기 냉각라인은 냉각수를 공기로 냉각시키기 위한 라디에이터; 를 더 포함하며, 상기 전장부품은 라디에이터에 의해 냉각된 냉각수 또는 제4열교환기에 의해 냉각된 냉각수에 의해 냉각될 수 있다.
또한, 상기 제4열교환기 및 전장부품은 상기 냉각라인에 의해 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다.
또한, 상기 난방라인은, 상기 제1열교환기를 통해 냉매와 열교환되는 냉각수와 실내로 유입되는 공기를 열교환하여 가열된 공기를 이용해 실내를 난방하는 제5열교환기; 및 냉각수의 유동 방향으로 상기 제5열교환기의 전방에 배치되어 냉각수를 가열하는 냉각수 히터;를 포함할 수 있다.
또한, 실내 냉방 모드에서 제상 모드 시, 상기 제1팽창밸브에서는 냉매를 바이패스 시킬 수 있다.
또한, 실내 냉방 모드에서 제습 모드 시, 상기 제2팽창밸브를 통해 교축된 냉매가 제3열교환기를 통과하여, 실내로 유입되는 공기가 제3열교환기를 통해 제습된 다음 제5열교환기를 통해 승온된 후 실내로 공급될 수 있다.
또한, 배터리 승온 모드 시, 상기 냉각수 히터의 작동에 의해 가열된 냉각수에 의해 배터리가 승온될 수 있다.
또한, 마일드 난방 모드 시, 상기 난방라인 및 냉각라인은 직렬의 하나의 라인으로 연결되어, 상기 배터리 및 전장부품의 폐열을 회수하여 실내 난방에 이용할 수 있다.
본 발명의 열관리 시스템은 전력 소모량을 감소시켜 배터리의 사용 시간을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 구조가 단순한 냉매 라인 및 냉각수 라인의 설계가 가능하여 유지보수 비용 및 제조 원가가 절감되는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 열관리 시스템의 실내 냉방 모드 시 라디에이터에 의해 배터리 및 전장부품이 냉각되는 시스템을 나타낸 구성도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 열관리 시스템의 실내 난방 모드 시 배터리의 승온 및 전장부품의 폐열을 회수하여 난방에 이용하는 시스템을 나타낸 구성도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 열관리 시스템의 실내 난방 모드에서 제상 모드 시의 시스템을 나타낸 구성도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 열관리 시스템의 실내 난방 모드에서 제습 모드 시의 시스템을 나타낸 구성도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 열관리 시스템의 배터리의 승온 모드시의 시스템을 나타낸 구성도.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 열관리 시스템의 마일드 난방 모드 시 배터리 및 전장부품의 폐열을 회수하여 난방에 이용하는 시스템을 나타낸 구성도.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명의 열관리 시스템을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 열관리 시스템의 실내 냉방 모드 시 라디에이터에 의해 배터리 및 전장부품이 냉각되는 시스템을 나타낸 구성도이며, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 열관리 시스템의 실내 난방 모드 시 배터리의 승온 및 전장부품의 폐열을 회수하여 난방에 이용하는 시스템을 나타낸 구성도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 열관리 시스템은 크게 냉매가 순환되어 실내를 냉방하는 냉매 순환라인(200), 냉각수가 순환되는 냉각수 순환라인(300)으로 구성될 수 있으며 냉각수 순환라인(300)은 난방을 위한 난방라인(301) 및 냉각을 위한 냉각라인(302)으로 구성될 수 있다.
냉매 순환라인(200)은 압축기(210), 제1열교환기(220), 제1팽창밸브(225), 제2열교환기(230), 제2팽창밸브(240), 제3팽창밸브(251), 제3열교환기(242), 제4열교환기(252) 및 어큐뮬레이터(260)를 포함할 수 있다.
압축기(210)는 전력을 공급받아 구동되는 전동 압축기일 수 있으며, 냉매를 흡입 및 압축하여 제1열교환기(220)쪽으로 토출하는 역할을 한다.
제1열교환기(220)는 응축기의 역할을 하며 일례로 수랭식 응축기가 사용될 수 있다. 그리고 제1열교환기(220)는 압축기(210)에서 토출된 냉매를 냉각수와 열교환시켜 액상 냉매로 응축하여 제1팽창밸브(225)쪽으로 보내는 역할을 한다.
제1팽창밸브(225)는 냉매를 교축하거나 바이패스 시키거나 냉매의 흐름을 차단하는 역할을 할 수 있으며, 냉매의 유동 방향으로 제1열교환기(220)의 후방에 배치될 수 있다.
제2열교환기(230)는 응축기 또는 증발기 역할을 하며, 제1팽창밸브(225)의 역할에 따라 제2열교환기(230)의 기능이 가변될 수 있다. 즉, 냉매 순환라인(200)이 에어컨 루프로 사용되는 경우 제1팽창밸브(225)에서는 냉매를 바이패스 시키고 제2열교환기(230)는 제1열교환기(220)와 함께 응축기의 역할을 하며, 냉매 순환라인(200)이 히트펌프 루프로 사용되는 경우 제1팽창밸브(225)에서는 냉매를 교축하며 제2열교환기(230)는 증발기 역할을 한다. 그리고 제2열교환기(230)는 냉각팬(311)에 의해 공랭식으로 냉각될 수 있다.
제2팽창밸브(240) 및 제3팽창밸브(251)는 냉매를 교축하거나 바이패스 시키거나 냉매의 흐름을 차단하는 역할을 할 수 있다. 그리고 제2팽창밸브(240) 및 제3팽창밸브(251)는 병렬로 구성될 수 있다. 즉, 냉매의 유동 방향으로 제2열교환기(230)의 후방에서 두 개의 라인으로 냉매라인이 분기되며 분기된 두 개의 냉매라인 중 하나의 냉매라인에 제2팽창밸브(240)가 배치되고 다른 하나의 냉매라인에 제3팽창밸브(251)가 배치될 수 있다.
제3열교환기(242)는 증발기에 해당되며 제4열교환기(252)는 칠러에 해당된다. 그리고 제3열교환기(242)는 냉매의 유동 방향으로 제2팽창밸브(240)의 후방에 배치되며, 차량의 공조장치(150) 내부에 구비되어 공조장치의 송풍기(152)에 의해 유동되는 공기가 제3열교환기(242)를 거치며 냉각되어 차량의 실내로 공급되어 차량의 실내 냉방에 이용될 수 있다.
제4열교환기(252)는 냉매의 유동 방향으로 제3팽창밸브(251)의 후방에 배치되며, 냉각수와 열교환되어 냉각수가 냉각 또는 가열될 수 있다. 그리하여 제2팽창밸브(240)와 제3열교환기(242)가 한 조를 이루고 제3팽창밸브(251)와 제4열교환기(252)가 다른 한 조를 이루어, 두 조가 냉매라인 상에서 병렬로 구성된다. 또한, 냉매 유동 방향으로 제3열교환기(242)와 제4열교환기(252)의 후방쪽은 냉매라인이 합류되어 하나의 냉매라인으로 형성될 수 있다.
어큐뮬레이터(260)는 냉매라인 상의 냉매의 압력을 일시적으로 저장하는 역할을 할 수 있다. 그리고 어큐뮬레이터(260)는 냉매 중 액상 냉매와 기상 냉매를 분리하여 기상 냉매만 압축기(210)로 공급할 수 있다. 여기에서 제3열교환기(242)와 제4열교환기(252)의 후방쪽에서 냉매라인이 합류된 지점에 어큐뮬레이터(260)가 배치되어 연결되며, 어큐뮬레이터(260)는 냉매 유동 방향으로 압축기(210)의 후방에 배치될 수 있다. 그리하여 다시 압축기(210)로 보내진 냉매는 상기한 바와 같은 순환 사이클을 반복하게 된다.
난방라인(301)은 제1열교환기(220), 냉각수 히터(430), 제5열교환기(440), 제1냉각수 펌프(450), 배터리(350) 및 제1방향전환밸브(410)를 포함할 수 있다.
제1열교환기(220)는 상기한 바와 같이 수랭식 응축기가 사용되어, 냉매 및 냉각수가 통과하면서 서로 열교환될 수 있다.
냉각수 히터(430)는 냉각수를 가열하는 장치이며, 냉각수의 유동 방향으로 제1열교환기(220)의 후방 및 제5열교환기(440)의 전방에 배치되어 연결될 수 있다. 그리고 냉각수 히터(430)는 냉각수의 온도가 특정한 온도 이하일 경우 가동될 수 있으며, 전력을 이용해 발열할 수 있는 인덕션 히터, 씨즈 히터, 피티씨 히터, 필름 히터 등 다양하게 형성될 수 있다.
제5열교환기(440)는 차량의 공조장치(150) 내에 구비되어 히터 코어의 역할을 할 수 있다. 즉, 제5열교환기(440)는 공조장치(150)의 송풍기(152)에 유동되는 공기가 제5열교환기(440)를 거치며 승온되어 차량의 실내로 공급되어 차량의 실내 난방에 이용될 수 있다. 그리고 제5열교환기(440)는 냉각수의 유동 방향으로 냉각수 히터(430)의 후방에 배치되어 연결될 수 있다.
제1냉각수 펌프(450)는 난방라인(301)을 따라 냉각수가 순환되도록 냉각수를 압송하는 수단이며, 제1냉각수 펌프(450)는 냉각수의 유동 방향으로 제5열교환기(440)의 후방에 배치되어 연결될 수 있다.
배터리(350)는 차량의 동력원이며, 차량 내 각종 전장부품(460)의 구동원이 될 수 있다. 또는 배터리(350)는 연료전지와 연결되어 전기를 저장하는 역할을 하거나, 외부에서 공급되는 전기를 저장하는 역할을 할 수 있다. 그리고 배터리(350)는 냉각수의 유동 방향으로 제5열교환기(440)의 후방에 배치될 수 있으며, 배터리(350)는 유동되는 냉각수와 열교환되어 냉각되거나 가열될 수 있다. 또한, 배터리(350)는 일반적인 전지들에 비해 상대적으로 작동 온도 조건이 높은 고체전해질전지일 수 있다.
제1방향전환밸브(410)는 배터리(350)와 제1열교환기(220)의 사이에 설치될 수 있으며, 난방라인(301)과 이후에 설명할 냉각라인(302)을 선택적으로 연결하거나 연결을 차단하도록 구성될 수 있다. 보다 상세하게 제1방향전환밸브(410)는 난방라인(301) 상에 설치되어 2개의 냉각수 라인 배관이 제1방향전환밸브(410)에 연결되고, 냉각라인(302)의 일측에서 분기된 1개의 제1연결라인(302-1)이 제1방향전환밸브(410)에 연결되며, 냉각라인(302)의 타측에서 분기된 1개의 제2연결라인(302-2)이 제1방향전환밸브(410)에 연결될 수 있다. 즉, 제1방향전환밸브(410)에서는 4개의 냉각수 라인이 만나도록 연결되며, 제1방향전환밸브(410)는 4개의 냉각수 라인들이 서로 연결되거나 차단된 상태를 조절할 수 있는 4방향의 방향전환밸브가 될 수 있다.
그리하여 난방라인(301)은 냉각수가 제1열교환기(220), 냉각수 히터(430), 제5열교환기(440), 제1냉각수 펌프(450), 배터리(350) 및 제1방향전환밸브(410)를 따라 순환되고, 다시 제1방향전환밸브(410)에서 제1열교환기(220)로 유입되어 순환되는 사이클을 반복할 수 있다.
냉각라인(302)은 제6열교환기(310), 제2방향전환밸브(320), 제2냉각수 펌프(420), 제1방전환밸브(410), 전장부품(460) 및 제4열교환기(252)를 포함할 수 있다.
제6열교환기(310)는 냉각수를 냉각시키는 라디에이터 역할을 하며, 제6열교환기(310)는 냉각팬(311)에 의해 공랭식으로 냉각될 수 있다.
제2방향전환밸브(320) 냉각라인(302) 상에 설치되어 2개의 냉각수 배관이 제2방향전환밸브(320)에 연결되고, 난방라인(301)과 냉각라인(302)이 연결되도록 제1방향전환밸브(410)와 제2방향전환밸브(320)가 제1연결라인(302-1)으로 연결될 수 있다. 즉, 제2방향전환밸브(320)는 3개의 냉각수 라인이 만나도록 연결되며, 제2방향전환밸브(320)는 3개의 냉각수 라인들이 서로 연결되거나 차단된 상태를 조절할 수 있는 3방향의 방향전환밸브가 될 수 있다.
제2냉각수 펌프(420)는 냉각라인(302)을 따라 냉각수가 순환되도록 냉각수를 압송하는 수단이다. 그리고 제2냉각수 펌프(420)는 제1방향전환밸브(410)와 제2방향전환밸브(320) 사이의 제1연결라인(302-1)에 설치되어, 제2냉각수 펌프(420)의 작동에 의해 제2방향전환밸브(320)에서 제1방향전환밸브(410)쪽으로 냉각수가 흐를 수 있다.
전장부품(460)은 냉각라인(302)에 형성된 합류부(312)와 제1방향전환밸브(410)를 연결하는 제2연결라인(302-2)에 배치되어, 냉각수에 의해 전장부품(460)이 냉각될 수 있다. 또는, 전장부품(460)은 제2방향전환밸브(320)에서 제1방향전환밸브(410)를 연결하는 제1연결라인(302-1)에 배치될 수도 있다. 그리고 전장부품(460)은 모터, 인버터, 충전기(OBC; On Board Charger) 등이 될 수 있다.
제4열교환기(252)는 제2방향전환밸브(320)와 합류부(312) 사이의 냉각수 라인에 연결될 수 있다. 그리하여 제4열교환기(252)에서 냉매와 냉각수가 열교환되어, 냉매에 의해 냉각수가 냉각되거나 반대로 냉매에 의해 냉각수가 가열될 수 있다.
그리하여 난방라인(301)의 냉각수를 이용해 배터리(350)를 승온하기 용이하므로 배터리의 초기 작동 성능이 향상되며, 수랭식 응축기인 제1열교환기(220)로 유입되는 냉각수의 온도가 낮아져 냉매 순환라인(200)이 히트펌프 루프로 사용되는 경우 열교환 효율이 향상될 수 있다. 또한, 방향전환밸브의 수가 줄어들고 냉각수 라인의 구성이 간단해지는 장점이 있다.
그리고 공조장치(150)는 공기를 송풍시킬 수 있도록 일측에 송풍기(152)가 설치되어 있으며, 공조장치(150)의 내부에는 온도조절도어(151)가 설치될 수 있다. 또한, 공조장치 내의 증발기에 해당되는 제3열교환기(242) 및 히터코어에 해당되는 제5열교환기(440)는 온도조절도어(151)의 작동에 따라 송풍기(152)에서 토출된 공기가 제3열교환기(242)만을 거친 후 실내로 유입되도록 하거나, 제3열교환기(242)를 거친 후 제5열교환기(440)를 통과하여 실내로 유입될 수 있도록 배치 및 구성될 수 있다.
이하 앞에서 설명한 열관리 시스템의 작동 모드에 따른 동작에 대해 설명한다.
1. 실내 냉방 모드에서 라디에이터에 의한 전장부품과 배터리 냉각
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 열관리 시스템의 실내 냉방 모드 시 라디에이터에 의해 배터리 및 전장부품이 냉각되는 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 1을 참조하면, 냉매 순환라인(200)의 압축기(210)가 작동하여 압축기(210)에서 고온고압의 냉매가 토출된다. 그리고 압축기(210)에서 토출된 냉매는 제1열교환기(220)에서 냉각수와 열교환되어 냉각된다. 이어서 제1열교환기(220)에서 냉각된 냉매는 제1팽창밸브(225)를 바이패스하여 제2열교환기(230)로 유입되며, 냉매는 제2열교환기(230)에서 외부 공기와 열교환되어 냉각된다. 즉, 제1열교환기(220) 및 제2열교환기(230)가 모두 응축기의 역할을 하여 냉매를 응축시킨다. 응축된 냉매는 이후 제2팽창밸브(240)를 통과하면서 교축되어 냉매가 팽창된 후 제3열교환기(242)를 거치면서 공조장치(150)의 송풍기(152)에 의해 송풍되는 공기와 열교환되어 냉매가 증발되면서 공기가 냉각되어, 냉각된 공기를 차량의 실내로 공급하여 실내 냉방이 이루어진다. 제3열교환기(242)에서 증발된 냉매는 어큐뮬레이터(260)를 거쳐 다시 압축기(210)로 유입되며, 상기한 바와 같은 과정을 반복하면서 냉매가 순환된다. 이때, 제3팽창밸브(251)는 냉매의 흐름을 차단하여 제4열교환기(252) 방향으로 냉매가 흐르지 않을 수 있다.
한편, 냉각수 순환라인(200)의 냉각수는 제1냉각수 펌프(450) 및 제2냉각수 펌프(420)의 작동에 의해 순환된다. 그리고 냉각수에 의해 제1열교환기(220)를 통과하는 냉매, 배터리(350) 및 전장부품(460)이 냉각되며, 가열된 냉각수는 제6열교환기(310)에서 냉각팬(311)의 작동에 의해 외부 공기와 열교환되어 냉각될 수 있다. 이때, 제1방향전환밸브(410) 및 제2방향전환밸브(320)는 난방라인(301)과 냉각라인(302)을 연결하는 방향으로 조절될 수 있다. 보다 상세하게는 제1방향전환밸브(410)는 상측과 좌측이 서로 연결되어 냉각수가 유통되고 하측과 우측이 서로 연결되어 냉각수가 유통될 수 있다. 그리고 제2방향전환밸브(320)는 좌측과 하측이 서로 연결되어 냉각수가 유통되고 우측은 연결이 차단될 수 있다. 그리하여 냉각수는 제1냉각수 펌프(450)에서부터 배터리(350), 제1방향전환밸브(410), 전장부품(460), 합류부(312), 제6열교환기(310), 제2방향전환밸브(320), 제2냉각수 펌프(420), 제1방향전환밸브(410), 제1열교환기(220), 냉각수 히터(430) 및 제5열교환기(440)를 차례대로 거쳐 다시 제1냉각수 펌프(450)로 유입되어 순환되는 사이클이 반복된다. 여기에서 제2방향전환밸브(320)에 의해 제2방향전환밸브(320)에서부터 제4열교환기(252)를 거쳐 합류부(312)까지에는 냉각수가 흐르지 않을 수 있다. 또한, 난방라인(301)과 냉각라인(302)은 제1방향전환밸브(410) 및 제2방향전환밸브(320)의 조절에 따라 연결되거나 연결이 차단될 수 있으며, 도시된 바와 같이 실내 난방 모드일 경우 난방라인(301)과 냉각라인(302)이 직렬의 하나의 라인으로 연결되어 냉각수가 유통될 수 있다.
2. 실내 난방 모드에서 배터리 승온 및 전장부품 폐열 회수
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 열관리 시스템의 실내 난방 모드 시 배터리의 승온 및 전장부품의 폐열을 회수하여 난방에 이용하는 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 2를 참조하면, 냉매 순환라인(200)의 압축기(210)가 작동하여 압축기(210)에서 고온고압의 냉매가 토출된다. 그리고 압축기(210)에서 토출된 냉매는 제1열교환기(220)에서 냉각수와 열교환되어 냉각되며, 냉각수는 냉매에 의해 가열된다. 이어서 제1열교환기(220)에서 냉각된 냉매는 제1팽창밸브(225)를 통과하며 교축되어 팽창되며, 제2열교환기(230)로 유입된 냉매는 외부 공기와 열교환되어 증발되어 외부의 열을 흡수한다. 즉, 제1열교환기(220)는 응축기의 역할을 하며, 제2열교환기(230)는 증발기의 역할을 한다. 이후 제2열교환기(230)를 통과한 냉매는 제3팽창밸브(251)를 바이패스하여 제4열교환기(252)로 유입되며, 제4열교환기(252)에서는 냉매가 냉각수와 열교환되어 냉매가 가열되고 냉각수는 냉각된다. 제4열교환기(252)를 통과한 냉매는 어큐뮬레이터(260)를 거쳐 다시 압축기(210)로 유입되며, 상기한 바와 같은 과정을 반복하면서 냉매가 순환된다. 이때, 제2팽창밸브(240)는 냉매의 흐름을 차단하여 제3열교환기(242) 방향으로 냉매가 흐르지 않을 수 있다.
한편, 냉각수 순환라인(300)의 냉각수는 난방라인(301)과 냉각라인(302)이 서로 연통되지 않도록 제1방향전환밸브(410) 및 제2방향전환밸브(320)가 조절된다. 즉, 난방라인(301)과 냉각라인(302)은 서로 연결이 차단된다. 그리하여 난방라인(301) 및 냉각라인(302)이 각각 폐루프를 형성한다. 이때, 난방라인(301)은 제1냉각수 펌프(450)의 작동에 의해 냉각수가 순환되며 냉매로부터 열을 흡수하여 가열되며, 가열된 냉각수를 이용해 실내를 난방한다. 냉각라인(302)은 제2냉각수 펌프(420)의 작동에 의해 냉각수가 순환되며 전장부품(460)의 폐열을 흡수하여 냉각수가 가열된 다음 제4열교환기(252)에서 냉각수의 열을 냉매에 전달하여 냉매가 가열된다. 그리하여 가열된 냉매의 열을 제1열교환기(220)에서 다시 난방라인(301)의 냉각수에 전달하여 난방라인(301)의 냉각수가 가열되어 실내 난방에 이용될 수 있다. 보다 상세하게는 제1방향전환밸브(410)는 상측과 우측이 서로 연결되어 냉각수가 유통되고 하측과 좌측이 서로 연결되어 냉각수가 유통될 수 있다. 그리고 제2방향전환밸브(320)는 우측과 하측이 서로 연결되어 냉각수가 유통되고 좌측은 연결이 차단될 수 있다. 그리하여 난방라인(301)의 냉각수는 제1냉각수 펌프(450)에서부터 배터리(350), 제1방향전환밸브(410), 제1열교환기(220), 냉각수 히터(430) 및 제5열교환기(440)를 차례대로 거쳐 다시 제1냉각수 펌프(450)로 유입되어 순환되는 사이클이 반복된다. 이때, 제5열교환기(440)를 거치면서 공조장치(150)의 송풍기(152)에 의해 송풍되는 공기와 열교환되어 공기가 가열되어, 승온된 공기를 차량의 실내로 공급하여 실내 난방이 이루어진다. 또한, 냉각라인(302)의 냉각수는 제2냉각수 펌프(420)에서부터 전장부품(460), 합류부(312), 제4열교환기(252) 및 제2방향전환밸브(320)를 차례대로 거쳐 다시 제2냉각수 펌프(420)로 유입되어 순환되는 사이클이 반복된다. 여기에서 제2방향전환밸브(320)에 의해 제2방향전환밸브(320)에서부터 제6열교환기(310)를 거쳐 합류부(312)까지에는 냉각수가 흐르지 않을 수 있다. 또한, 난방라인(301)을 따라 순환되는 냉각수에 의해 배터리(350)가 승온되어 배터리(350)의 작동 초기 성능이 향상될 수 있으며, 제1열교환기(220)로 유입되는 냉각수의 온도가 낮아져 제1열교환기(220)에서 냉매와 냉각수 간의 열교환 효율이 향상될 수 있다. 또한, 실내 난방 부하가 클 경우 냉각수 히터(430)를 작동시켜 냉각수를 가열하여 실내 난방 및 배터리(350)의 승온에 이용할 수 있다.
3. 실내 난방 모드에서 제상 모드
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 열관리 시스템의 실내 난방 모드에서 제상 모드 시의 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 3을 참조하면, 상기한 바와 같이 실내 난방 모드에서 배터리 승온 및 전장부품 폐열 회수 시 냉매 순환라인(200)이 히트펌프 루프로 작동할 때, 제2열교환기(230)가 증발기로 작동하기 때문에 외기의 온도가 낮으면 제2열교환기(230)의 표면에 성에가 형성되어 제2열교환기(230)의 성능이 급격히 저하될 수 있다. 그러므로 상기한 실내 난방 모드의 냉매 순환라인(200)에서 냉매가 제1팽창밸브(225)를 바이패스하도록 하여 제2열교환기(230)에서 외부로 방열이 이루어지며 성에가 제거될 수 있다. 그리고 제2열교환기(230)를 통과한 냉매는 제3팽창밸브(251)를 통과하며 교축되어 팽창된 후 제4열교환기(252)에서 냉매와 냉각수가 열교환된다. 제4열교환기(252)를 통과한 냉매는 어큐뮬레이터(260)를 거쳐 다시 압축기(210)로 유입되며, 상기한 바와 같은 과정을 반복하면서 냉매가 순환된다. 이때, 제2팽창밸브(240)는 냉매의 흐름을 차단하여 제3열교환기(242) 방향으로 냉매가 흐르지 않을 수 있다. 또한 냉각수 순환라인(300)은 상기한 실내 난방 모드에서 배터리 승온 및 전장부품 폐열 회수 시와 동일하게 작동될 수 있다.
4. 실내 난방 모드에서 제습 모드
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 열관리 시스템의 실내 난방 모드에서 제습 모드 시의 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 4를 참조하면, 상기한 바와 같이 실내 난방 모드에서 배터리 승온 및 전장부품 폐열 회수 시 냉매 순환라인(200)이 히트펌프 루프로 작동할 때, 실내의 습기 제거를 위해 제습 모드로 작동할 수 있다. 이때, 냉매 순환라인(200) 및 냉각수 순환라인(300)은 상기한 실내 난방 모드에서 배터리 승온 및 전장부품 폐열 회수 시와 동일하게 작동될 수 있으며, 추가로 냉매 순환라인(200)에서 제2팽창밸브(240)가 냉매를 바이패스 시키도록 완전히 개방되어 제3열교환기(242)로도 냉매가 흐르게 되며, 이때 제3열교환기(242)에 의해 송풍되는 공기에서 습기가 제거될 수 있다.
그리고 상기한 제상 모드에서 제습이 필요한 경우 제2팽창밸브(240)에서도 냉매가 교축 및 팽창되어 냉매가 제3열교환기(242)를 통과하면서 공기가 제습될 수 있다.
5. 배터리 승온 모드
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 열관리 시스템의 배터리의 승온 모드시의 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 5를 참조하면, 배터리(350)의 승온만이 필요할 때 냉매 순환라인(200)은 작동이 정지되고, 냉각수 순환라인(300) 중 냉각라인(302)도 작동이 정지되며, 냉각수 순환라인(300) 중 난방라인(301)만 폐루프로 냉각수가 순환하도록 작동될 수 있다. 이때, 난방라인(301)에서는 냉각수 히터(430)가 작동되어 냉각수를 가열할 수 있으며, 가열된 냉각수는 배터리(350)를 승온하여 배터리의 초기 작동 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 배터리의 충전 시 배터리 승온을 위해 냉각수 히터(430)를 사용할 수 있다.
6. 마일드 난방 모드
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 열관리 시스템의 마일드 난방 모드 시 배터리 및 전장부품의 폐열을 회수하여 난방에 이용하는 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 6을 참조하면, 봄 또는 가을과 실내 난방 부하가 작을 때 배터리(350) 및 전장부품(460)의 폐열만을 이용해 실내 난방을 하는 마일드 난방 모드로 작동될 수 있다. 이때, 냉매 순환라인(200)은 작동이 정지되고, 제2방향전환밸브(320)가 조절되어 냉각수 순환라인(300) 중 제2방향전환밸브(320)에서 제6열교환기(310)를 거쳐 합류부(312)까지는 냉각수가 흐르지 않는다. 그리하여 상기한 바와 같이 실내 난방 모드 시의 냉각수 흐름과 동일하게 냉각수가 순환하면서 배터리(350) 및 전장부품(460)의 폐열을 흡수하여 냉각수 가열되며, 냉각수는 공조장치(150) 내의 제5열교환기(440)를 거치며 송풍기(152)에 의해 송풍되는 공기와 열교환되어 공기가 가열되어, 승온된 공기를 차량의 실내로 공급하여 실내 난방이 이루어진다.
이와 같이 본 발명의 열관리 시스템은 실내 냉방 모드와 실내 난방 모드에서의 냉매가 순환되는 방향이 동일하므로, 실내 냉방 모드 및 실내 난방 모드의 전환 시 냉매의 순환 방향을 바꿀 필요가 없어 냉매의 방향을 전환하는 냉매 방향전환밸브를 사용하지 않을 수 있다. 또한, 차량용 공조장치의 히터코어를 난방용 열교환기로 사용하므로, 기존의 내연기관 차량과 공조장치를 공용화 할 수 있다. 또한, 난방용 전기히터와 배터리의 승온용 전기히터를 냉각수 히터 하나로 일원화할 수 있다. 또한, 배터리가 작동 온도 조건이 높은 고체전해질전지가 적용된 경우, 겨울철 난방 후의 냉각수를 이용해 배터리를 승온시킬 수 있으며, 배터리의 승온 작용으로 인해 수냉식 응축기로 유입되는 냉각수의 온도가 낮아져 열교환 효율이 향상될 수 있다. 또한, 전장부품의 폐열을 직접 난방 열원으로 사용하거나 냉매의 흡열원으로 사용할 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
150 : 공조장치 151 : 온도조절도어
152 : 송풍기
200 : 냉매 순환라인 210 : 압축기
220 : 제1열교환기 225 : 제1팽창밸브
230 : 제2열교환기 240 : 제2팽창밸브
242 : 제3열교환기 251 : 제3팽창밸브
252 : 제4열교환기 260 : 어큐뮬레이터
300 : 냉각수 순환라인 301 : 난방라인
302 : 냉각라인 302-1 : 제1연결라인
302-2 : 제2연결라인
310 : 제6열교환기 311 : 냉각팬
312 : 합류부 320 : 제2방향전환밸브
340 : 제2냉각수 펌프 350 : 배터리
410 : 제1방향전환밸브 420 : 제2냉각수 펌프
430 : 냉각수 히터 440 : 제5열교환기
450 : 제1냉각수 펌프 460 : 전장부품

Claims (19)

  1. 압축기, 제1열교환기, 제2팽창밸브 및 제3열교환기를 포함하고, 냉매를 순환시켜 실내를 냉방하는 냉매 순환라인;
    상기 제1열교환기를 통해 상기 냉매와 열교환되는 냉각수를 순환시켜 실내를 난방하며 배터리와 열교환되는 난방라인; 및
    공기 또는 상기 냉매와 열교환되는 냉각수를 순환시켜 전장부품을 냉각시키는 냉각라인;
    을 포함하는 열관리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리는 고체전해질전지인 것을 특징으로 하는 열관리 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 난방라인 및 냉각라인은 실내 냉방 모드 또는 실내 난방 모드에 따라 연결되거나 연결이 차단되는 것을 특징으로 하는 열관리 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 실내 냉방 모드 시,
    상기 난방라인 및 냉각라인은 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 열관리 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 난방라인 및 냉각라인은 직렬의 하나의 라인으로 연결되는 것을 특징으로 하는 열관리 시스템.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 실내 난방 모드 시,
    상기 난방라인 및 냉각라인은 서로 연결이 차단되는 것을 특징으로 하는 열관리 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 냉각라인은,
    상기 냉각라인의 일측에서 분기되어 상기 난방라인과 연결되는 제1연결라인; 및 상기 냉각라인의 타측에서 분기되어 상기 난방라인과 연결되는 제2연결라인;을 포함하는 열관리 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1연결라인, 제2연결라인 및 난방라인은 제1방향전환밸브에 연결되어, 상기 제1방향전환밸브에 의해 냉각라인과 난방라인이 서로 연결되거나 연결이 차단되는 것을 특징으로 하는 열관리 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 전장부품은 상기 제1연결라인 또는 제2연결라인 상에 배치된 것을 특징으로 하는 열관리 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 냉매 순환라인은,
    상기 제1열교환기에서 토출된 냉매를 교축 또는 바이패스 시키는 제1팽창밸브; 및 상기 제1팽창밸브에서 토출된 냉매를 공기와 열교환하여 상기 제2팽창밸브로 토출하는 제2열교환기;를 더 포함하는 열관리 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1열교환기에서 토출된 냉매를 교축하거나 바이패스 시키거나 흐름을 차단하는 제3팽창밸브; 및
    상기 제3팽창밸브에서 토출된 냉매를 상기 냉각라인의 냉각수와 열교환하는 제4열교환기;
    를 더 포함하는 열관리 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전장부품은 상기 제4열교환기와 열교환된 냉각수에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하는 열관리 시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 냉각라인은 냉각수를 공기로 냉각시키기 위한 라디에이터; 를 더 포함하며,
    상기 전장부품은 라디에이터에 의해 냉각된 냉각수 또는 제4열교환기에 의해 냉각된 냉각수에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하는 열관리 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제4열교환기 및 전장부품은 상기 냉각라인에 의해 직렬 또는 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 열관리 시스템.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 난방라인은,
    상기 제1열교환기를 통해 냉매와 열교환되는 냉각수와 실내로 유입되는 공기를 열교환하여 가열된 공기를 이용해 실내를 난방하는 제5열교환기; 및 냉각수의 유동 방향으로 상기 제5열교환기의 전방에 배치되어 냉각수를 가열하는 냉각수 히터;를 포함하는 열관리 시스템.
  16. 제10항에 있어서,
    실내 냉방 모드에서 제상 모드 시,
    상기 제1팽창밸브에서는 냉매를 바이패스 시키는 것을 특징으로 하는 열관리 시스템.
  17. 제10항에 있어서,
    실내 냉방 모드에서 제습 모드 시,
    상기 제2팽창밸브를 통해 교축된 냉매가 제3열교환기를 통과하여, 실내로 유입되는 공기가 제3열교환기를 통해 제습된 다음 제5열교환기를 통해 승온된 후 실내로 공급되는 것을 특징으로 하는 열관리 시스템.
  18. 제15항에 있어서,
    배터리 승온 모드 시,
    상기 냉각수 히터의 작동에 의해 가열된 냉각수에 의해 배터리가 승온되는 것을 특징으로 하는 열관리 시스템.
  19. 제1항에 있어서,
    마일드 난방 모드 시,
    상기 난방라인 및 냉각라인은 직렬의 하나의 라인으로 연결되어, 상기 배터리 및 전장부품의 폐열을 회수하여 실내 난방에 이용하는 것을 특징으로 하는 열관리 시스템.
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