KR20190139755A - 배터리 셀 모듈을 냉각하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 냉매 압축기(1), 냉매용 냉각제 냉각식 메인 응축기(2), 팽창 부재(3) 및 배터리 셀 모듈(6)을 냉각하는 배터리 냉각기(4)를 갖는 냉매 순환계(A)와 컴포넌트들을 연결하는 냉매 라인(5)들을 포함하고, 추가로 냉각제 펌프(8), 냉각제 냉각기(11) 및 상기 냉각제 냉각식 메인 응축기(2)를 갖는 냉각제 순환계(B)와 컴포넌트들을 연결하는 냉각제 라인(14)들을 포함하는, 배터리 셀 모듈(6)을 냉각하기 위한 장치에 관한 것으로서, 상기 장치는 상기 냉각제 순환계(B) 내에 상기 냉각제 냉각기(11)로 흐르는 냉각제를 차단할 수 있는 바이패스(23)가 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 또한, 배터리 셀 모듈(6)을 냉각하기 위한 방법과도 관련이 있다.

Description

배터리 셀 모듈을 냉각하기 위한 장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR COOLING BATTERY CELL MODULES}
본 발명은, 특히 냉각될 고전압 에너지 저장 장치를 갖는 전기 차량 또는 하이브리드 차량의 배터리 셀 모듈을 냉각하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
더 나아가 본 발명은, 냉각제 냉각식 응축기를 통해 냉각제 순환계와 열적으로 결합된 냉매 순환계를 제어하는 방법과도 관련이 있다.
종래 기술에는, 일반적으로 배터리 또는 어큐뮬레이터로도 언급되는 고전압 에너지 저장 장치를 냉각하기 위한 다양한 냉각 장치와 제어 콘셉트가 공지되어 있다.
예를 들어, DE 10 2013 211 259 A1호에는 에어컨에 의해 고전압 배터리의 냉각을 최적화하기 위한 방법 및 제어 유닛이 개시된다. 이 경우에는 특히 외부 온도가 낮을 때 냉매 순환계 내 고압을 증가시키기 위해 냉각제 체적 흐름의 감소가 이루어진다. 또한, US 8,191,618 B2호에는 냉매 순환계가 열교환기를 통해 냉각제 순환계와 연결되는 열 관리 방법이 개시된다. 이 경우 열교환기는 잠열 저장 장치로서 배터리 냉각 효율을 향상시키도록 형성되어 있다.
종래 기술은, 냉각제 체적 흐름 감소가 냉매 순환계의 냉각제 냉각식 응축기에서 흐름 온도의 현저한 감소로 이어진다는 단점을 갖는다. 특수한 경우에는 흐름 온도가 주변 온도 레벨에 이를 때까지 감소된다. 열교환기로 설계된, 냉매 순환계의 냉각제 냉각식 응축기의 경우, 적용된 방법에 의해서 달성되는데, 이때 열전달은 특히 냉매측 출구 영역에서 변위 된다. 냉매측 입구 영역에서, 냉각제 온도는 이미 냉매 응축 온도 레벨에 상당히 근접해 있으며, 그 결과 상기 위치에서 적은 양의 열만 냉매에서 냉각제로 전달될 수 있다. 이 방법에 의해서는 절대로 냉각제 흐름 온도가 증가하지 않으며 단지 감소된다. 전반적으로 냉각제 체적 흐름의 큰 감소는 열전달 영역의 감소와 동일하며, 그 결과 냉매 순환계 내에서의 냉매측 고압 레벨 상승이 단지 약간만 달성될 수 있다.
종래 기술의 또 다른 단점은, 냉각제 흐름 온도가 차량 속도에 크게 의존한다는 것이다. 이는 차량 속도가 낮거나 심지어 정지 상태일 때보다 차량 속도가 높을 때 더 많은 열이 냉각제 냉각기에서 주변 공기로 전달될 수 있음을 의미한다. 차량 속도는 높으나 냉각제 흐름 온도가 낮은 경우는 냉매 순환계 내에서 더 낮은 고압 레벨과 함께 나타나는데, 이 때문에 이러한 조건에서는 배터리 냉각기의 냉각 용량 감소도 함께 동반된다. 도 1에는 종래 기술에 따른 전형적인 사이클이 log(p)h-다이어그램으로 도시되어 있다. 차량 배터리의 배터리 셀 온도(T1)는, 최근 종래 기술에 따르면 냉각 요건은 절대적인 배터리 온도와 연결되기 때문에 보통 25℃를 초과하는 고온 레벨이다. 고온 레벨에서, 배터리는 최적의 효율을 갖고, 마찬가지로 고온 레벨은 배터리의 내구성에도 도움을 준다. 선행 기술에 따르면, 냉각제 냉각식, 특히 수랭식 응축기의 냉각제 흐름 온도(T3)는 대략 주변 온도(T2) 수준에 있으며, 이로 인해 따뜻한 외부 온도에 비해 훨씬 낮은 고압 및 더 낮은 흡입 압력이 나타난다. 요약하면 이로 인해 배터리 셀 온도(T1)와 배터리 냉각기의 흡입측 포화 온도 사이 T4와 같은 매우 높은 구동 온도차(ΔT)가 야기된다. 낮은 외부 온도에서는 낮은 흡입 밀도와 적은 냉매 질량 흐름에 의해 흡입 압력이 현저하게 낮기 때문에 외부 온도가 높을 때에 비해 배터리 냉각기의 최대 냉각 용량이 감소된다. 또한, 높은 온도차(ΔT)로 인해 배터리 냉각기 내에서 냉매가 조기에 과열되고, 이로 인해 균일한 배터리 냉각기 곤란하거나 불가능해진다.
본 발명의 과제는, 차량의 모든 작동 상태에서 냉매 순환계의 효율을 향상시키는 것이다.
본 발명의 콘셉트는, 예를 들어, 차량의 정지 상태에서뿐만 아니라 주행 중에도 냉각제 냉각식 응축기의 냉각제 흐름 온도가 목표한 바대로 증가하고 능동적으로 제어된다는 것이다. 특히, 예를 들어 0℃ 미만의 낮은 외부 온도에서, 냉각제 흐름 온도는 본 발명에 따른 콘셉트에 의해 10℃를 초과하는 수준으로 상승된다. 냉매 흐름 온도는, 냉매 순환계 내의 고압이 미리 주어진 목표값에 도달할 때까지 냉각제 냉각기 바이패스 질량 흐름(M2)의 능동 제어에 의해 증가된다.
상기와 같은 콘셉트의 실현에 의해 냉매 순환계 레벨에서의 배터리 냉각 기능에 대한 다양한 장점이 주어지며, 이에 대해서는 하기에서 더 상세히 설명된다.
상기 과제는 독립항들에 따른 대상에 의해서 해결된다. 개선예들은 종속항들에 기재되어 있다.
상기 본 발명의 과제는 특히, 배터리 셀 모듈을 냉각하기 위한 장치에 의해서 해결되며, 이 경우 상기 장치는 냉매 압축기, 냉매용 냉각제 냉각식 메인 응축기, 팽창 부재 및 상기 배터리 셀 모듈을 냉각하는 배터리 냉각기를 갖는 냉매 순환계와 개별 컴포넌트들을 연결하는 냉매 라인들을 포함하고, 이 경우 추가로 냉각제 순환계가 제공되며, 이러한 냉각제 순환계는 냉각제 펌프, 냉각제 냉각기 및 상기 냉각제 냉각식 메인 응축기 그리고 컴포넌트들을 연결하는 냉각제 라인들을 포함한다.
본 발명은 특히, 상기 냉각제 순환계 내에, 상기 냉각제 냉각기로 흐르는 냉각제를 차단할 수 있는 바이패스가 배치되어 있는 것을 특징으로 한다. 상기 바이패스는 냉매 제어 방법 내에서, 특정 작동 상태에서 냉각제 냉각기를 완전히 우회하고, 가열된 냉각제를 냉매 순환계의 메인 응축기로 직접 제공할 수 있도록 하며, 그리고 냉각제 유입 온도를 현저히 증가시킨다.
또한, 본 발명의 바람직한 한 실시예에서는, 냉각제 총 질량 흐름이 냉각제 순환계 내에 있는 냉각제 밸브들에 의해 부분 질량 흐름으로 분할될 수 있고, 상기 바이패스 및/또는 상기 냉각제 냉각기를 통해 안내될 수 있도록 설계되어 있다. 바람직하게는 상기 부분 질량 흐름들이 조절 가능하게 설계되어 있다.
특히 바람직하게는 부분 질량 흐름들로의 상기 냉각제 총 질량 흐름의 분할 및 조절을 위해, 3/2 방향 밸브가 배치되어 있다.
바람직하게 상기 냉매 순환계 내에서 냉매 유동 방향으로 상기 메인 응축기 뒤에 고압용 압력 센서가 배치되어 있다.
또한, 상기 냉매 순환계 내에서 냉매 유동 방향으로 상기 메인 응축기 앞에 고압용 압력 센서가 배치되어 있다.
대안적으로 상기 냉매 순환계 내에서 냉매 유동 방향으로 상기 팽창 부재와 냉매 압축기 사이에 저압용 압력 센서가 배치되어 있다.
냉매 순환계의 바람직한 추가 변형예에는, 마찬가지로 냉매 순환계에 대한 매우 다양한 추가 요건들을 실현하기 위해, 상기 냉매 순환계 내에 추가의 병렬 및/또는 직렬 응축기들/가스 냉각기들 및/또는 증발기들 및/또는 팽창 부재들이 배치되어 있다.
계속해서 냉매 순환계의 바람직한 한 실시예에서는, 상기 냉매 순환계 내에서 고압측에 하나 또는 다수의 고압 컬렉터 및/또는 저압측에 하나 또는 다수의 저압 컬렉터가 배치되어 있고, 그리고 경우에 따라 하나의 내부 열교환기가 배치되어 있다.
또한, 상기 본 발명의 과제는 전술한 장치를 이용하여 배터리 셀 모듈을 냉각하기 위한 방법에 의해서 해결되며, 이 경우 상기 방법은, 냉매 순환계 내에서 고압이 목표값보다 낮으면 상기 냉매 순환계 내에서 고압이 목표값에 도달할 때까지 냉각제용 바이패스를 통과하는 냉각제 질량 흐름이 증가하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 냉각제 밸브들의 파일럿 제어(pilot control)는 차량 속도에 따라 이루어지며, 그 결과 차량 속도가 증가함에 따라 상기 냉매 순환계 내 압력 센서에서 고압이 조절되면, 냉각제 냉각기용 냉각제 밸브가 추가로 폐쇄되고, 그리고 바이패스용 냉각제 밸브는 추가로 개방되며, 반대의 경우도 마찬가지로 적용된다.
바람직하게 상기 냉매 순환계는 R1234yf, R134a, R744, R404a, R600a, R290, R152a, R32 및 이들의 혼합물로 작동된다.
바람직한 추가 실시예에서는, 상기 부분 질량 흐름을 조절함으로써 상기 고압에 대안적으로, 상기 냉매 순환계 내에 최적의 저압이 설정된다.
본 발명의 장점은 특히, 외부 온도가 낮을 때에 냉매 순환계의 효율 증가가 가능하다는 것이다.
또한, 외부 온도가 낮을 때 냉매 순환계의 냉각 용량 증가가 가능하여, 더 낮은 외부 온도에서도 변하지 않는 전류 세기로 빠른 충전이 가능하다. 본 발명의 적용 범위에서 낮은 외부 온도는 약 0℃ 및 0℃ 이하의 온도를 의미한다.
배터리 냉각기 설계는 냉매 과열에 비해서는 덜 강하게 설계될 수 있는데, 이로 인해 상당한 비용 절감이 이루어질 수 있다는 점이 특히 바람직하다. 경제적 그리고 환경적인 이유로 더욱 낮은 외부 온도에서 더 적은 양의 냉매 충전이 요구되는데 이는 냉매에 대한 비용 절감 가능성 외에도 더 작은 부피의 냉매 컬렉터와도 결부되며, 결과적으로 비용, 공간 및 중량 측면에서 장점이 주어진다는 점이 바람직하다.
본 발명의 실시예들의 추가적인 세부 사항들, 특징들 및 장점들은 첨부된 도면들을 참조하는 실시예들에 대한 하기의 설명으로부터 드러난다. 도면부에서:
도 1은 log(p)h-다이어그램으로, 종래 기술에 따른 냉매 사이클을 도시하고,
도 2는 냉각제 냉각기의 바이패스를 갖는 본 발명에 따른 결합 냉매 및 냉각제 순환계를 도시하며,
도 3은 냉각제 순환계 내에 바이패스를 사용하지 않는 결합 순환계를 도시한 도면이고,
도 4는 고압측에서 압력이 증가하는 저온 증기 사이클의 log(p)h-다이어그램이며,
도 5는 바이패스 회로의 결합 순환계를 도시한 도면이고,
도 6은 냉각제의 바이패스 회로에서의 냉각 사이클에 대한 log(p)h-다이어그램이며,
도 8은 정상 상태의 log(p)h-다이어그램이고,
도 9는 바이패스용 냉각제 밸브 및 냉각제 냉각기의 제어도이며,
도 10은 에어 플랩들을 갖는 공랭식 보조 응축기를 갖는 결합 순환계를 도시하고, 그리고
도 11은 보조 응축기의 바이패스를 갖는 결합 순환계를 도시한다.
도 2에는 냉매 순환계(A)와 이러한 냉매 순환계의 냉각제 냉각식 메인 응축기(2)를 통해 결합된 냉각제 순환계(B)가 도시되어 있다. 상기 냉매 순환계(A)는 실제로 통상적인 컴포넌트들, 즉 냉매 압축기(1), 냉각제 냉각식 메인 응축기(2), 바람직하게는 전자 팽창 밸브(EXV)로 설계된 팽창 부재(3), 배터리 냉각기(4) 그리고 냉매 라인(5)들 및 압력 센서(7 또는 7a)로 구성되어 있다. 이 경우 상기 압력 센서의 바람직한 위치는 압력 센서(7)로서 냉매 유동 방향으로 메인 응축기(2) 뒤에 도시되어 있으며, 대안적으로 압력 센서(7a)의 위치는 유동 방향으로 메인 응축기(2) 앞에 도시되어 있다. 배터리 냉각기(4)는 필요에 따라 배터리 셀 모듈을 냉각하기 위해 이러한 배터리 셀 모듈(6)과 직접 접촉한다. 도 2의 상부 영역에 도시된 냉각제 순환계(B)는 실제로 냉각제 총 질량 흐름(M12)을 이송하는 냉각제 펌프(8)와 바람직하게는 조정 가능한 스로틀 단면적으로 설계된 2개의 냉각제 밸브(9, 10)로 이루어져 있다. 냉각제 밸브(9 및 10)들은 부분 질량 흐름으로 냉각제 총 질량 흐름(M12)을 형성하는 냉각제 질량 흐름(M1 및 M2)들을 공동으로 제어한다. 이러한 질량 흐름들은 도면에서 상응하게 기호 위에 점이 표시되어 있다. 또한, LTR로도 언급되는 냉각제 냉각기(11) 및 수개의 냉각제 라인(14)이 제공되어 있다. 냉각제 흐름 온도 센서(15)는 냉각제의 유동 방향으로 냉각제 냉각식 메인 응축기(2) 앞에 배치되어 있고, 개념적으로 지시된 바와 같이 냉각제 흐름 온도를 측정한다. 냉각제 총 질량 흐름(M12)은 분기점(12)에서 냉각제 냉각기(11)를 통해 흐르는 부분 질량 흐름(M1)과 냉각제용 바이패스(23) 내에서 상기 냉각제 냉각기(11) 옆을 지나서 안내되는 부분 질량 흐름(M2)로 분할된다. 흐름 방향으로 볼 때 아래쪽에서 냉각제의 부분 질량 흐름(M1 및 M2)들은 합류점(13)에서 다시 결합되어 함께 메인 응축기(2)를 관류한 다음, 다시 냉각제 펌프(8)로 흐른다. 냉각제 냉각기(11)는 바람직하게는 차량의 프론트 엔드의 냉각 모듈 내에 위치하고, 주변, 즉 냉각 공기(16)의 공기량에 의해 과류된다. 냉각제 순환계(B)의 폐열은 냉각제 냉각기(11)로부터 냉각 공기(16)로 전달되어 시스템에 의해 주변으로 방출될 수 있다.
도 3에는 특히 외부 온도, 예컨대 5℃ 이상의 외부 온도에서 구동되는 결합 순환계가 도시되어 있다. 최대 냉각 용량을 달성하기 위해, 냉각제 밸브(9)는 완전히 개방되고, 냉각제 밸브(10)는 완전히 폐쇄된다. 따라서 냉각제 총 질량 흐름(M12)은 냉각제 냉각기(11)를 통해 흐르고, 냉각제용 바이패스(23)는 폐쇄되어 있다. 그러므로 가능한 한 많은 열이 냉각제 냉각기(11)로부터 주변 공기로 또는 냉각 공기(16)로 방출된다.
도 4에는, 도 3에 도시된 냉각 장치의 도시에 대등하게 외부 온도가 높을 때 냉매 순환계(A)의 전형적인 사이클로서 저온 증기 사이클에 따른 log(p)h-다이어그램이 도시되어 있다. 도시된 냉각 순환계에서 고압측의 포화 온도는 주변 온도(T2)보다 훨씬 높고, 흡입측의 포화 온도는 배터리 셀 온도(T1)보다 훨씬 낮다. 온도차는 △T4로 구분 표시되었다. 냉각제 냉각식 메인 응축기(2)의 냉각제 흐름 온도(T3)는 주변 온도(T2)보다 높다. 이 경우 냉각제 흐름 온도(T3)는 냉각제 흐름 온도 센서(15)에 의해 측정되고, 배터리 셀 온도(T1)는 배터리 셀 모듈(6)에서 직접 측정된다. 주변 온도(T2)는 냉각 공기(16)의 온도에 상응한다.
도 5에는 예를 들어 5℃ 미만으로 외부 온도가 낮을 때 불안정한 상태의 장치의 작동이 도시되어 있다. 특히 시스템이 막 시작되었으며, 냉각제 냉각식 메인 응축기(2) 내로 이어지는 냉각제 흐름 온도 센서(15) 상의 냉각제 흐름 온도 및 냉각 공기(16)의 주변 온도가 비슷한 레벨에 있는 불안정한 상태에서는, 냉매 순환계(A) 내에서 압력 센서(7) 또는 대안적으로 압력 센서(7a)에서 측정된 고압 레벨을 증가시키기 위하여 냉각제 흐름 온도 센서(15)에서 측정된 냉각제 흐름 온도(T3)를 최대한 빨리 상승시키는 것이 필요하다. 냉각제 밸브(9)가 완전히 폐쇄되고, 냉각제 밸브(10)는 완전히 개방됨으로써 냉각제 흐름 온도가 상승되거나 증가된다. 따라서 냉각제 총 질량 흐름(M12)은 전부 냉각제 냉각기 바이패스(23)를 통해 메인 응축기(2)에 이르고, 이러한 작동 상태에서 냉각제 냉각기(11)는 냉각제에 의해 관류되지 않는다. 그러므로 냉각제 냉각기(11)로부터 냉각 공기(16)로는 열이 전달되지 않고, 냉각제 흐름 온도 센서(15)에서 측정된 냉각제 흐름 온도는 냉매 순환계(A)에서 냉각제 냉각식 메인 응축기(2)를 통해 냉각제 순환계(B)로 전달되는 열에 의해 서서히 가열된다.
도 6에는 외부 온도가 저온일 때 도 5에 도시된 회로에 대응하는 냉매 순환계(A)의 전형적인 사이클과 시스템 시작 후 소정의 시간이 도시되어 있다. 배터리 냉각 요건은 일반적으로 배터리 셀 모듈(6)의 절대 배터리 셀 온도(T1)에 결합되기 때문에 배터리 셀 온도(T1)는 외부 온도가 고온일 때와 유사하게 고온 레벨에 있다. 냉각제 냉각기 바이패스(23)가 완전히 개방됨으로써, 메인 응축기(2) 내로 유입되기 전에 냉각제 흐름 온도 센서(15)에서 측정된 냉각제 흐름 온도는 주변 온도(T2) 또는 냉각제 냉각기(11) 내로 유입되는 냉각 공기(16)의 공기 유입 온도보다 훨씬 높게 가열된다. 그 결과 냉매 순환계(A)의 공압측 포화 온도는 냉각 공기(16)의 공기 유입 온도보다 높고, 주변 온도(T2)보다는 훨씬 높은 레벨로 상승한다. 한편으로는 이로 인해 흡입압 레벨 및 이와 더불어 흡입 밀도, 최대 냉매 질량 흐름 및 이에 따라 최대 냉각 용량이 상승하고 구동 온도차(△T)가 작아지며, 그 결과 배터리 냉각기(4) 내에서 냉매가 나중에 과열되고 배터리 셀 모듈(6)의 균일한 냉각이 가능해진다.
도 7에는 정상 상태에서 외부 온도가 낮을 때의 사이클이 도시되어 있다. 시스템이 이미 장시간 작동되었으며, 냉각제 냉각식 메인 응축기(2) 내로 유입되는 냉각제 흐름 온도 센서(15)에서의 냉각제 흐름 온도가 주변 온도(T2)보다 높은 정상 상태에서는 냉각제 흐름 온도가 일정한 레벨로 유지된다. 조절될 온도 레벨은 냉매 순환계(A)의 압력 센서(7)에서, 대안적으로는 압력 센서(7a)에서 측정된 고압 레벨에 맞춰진다. 냉각제 흐름 온도를 일정한 레벨로 유지하기 위해서는 냉각제 총 질량 흐름(M12)이 냉각제 밸브(9, 10)들의 개방 단면적 조절을 통해서 냉각제 부분 질량 흐름(M1 및 M2)으로 분할된다. 냉각제 흐름 온도의 추가 상승에 도움을 줄 수 있는, 냉각제 순환계(B) 내로 유입되는 열은 냉각제 냉각기(11)를 통해 주변 또는 냉각 공기(16)로 방출될 수 있다. 이 경우 부분 질량 흐름(M1)이 클수록 냉각제 냉각기(11)로부터 냉각 공기(16)로 더 많은 열이 방출되며, 이는 그 반대로도 마찬가지이다. 냉각제 흐름 온도는 최종적으로 2개의 냉각제 부분 질량 흐름, 즉 관련된 냉각제 온도를 갖는 냉각제 질량 흐름(M2)과 냉각제 질량 흐름(M1)으로 이루어진 혼합 온도로서 나타난다. 차량이 주행할 때, 냉각 공기(16)의 공기량은 냉각제 냉각기(11) 상에서 증가하고, 그 결과 상기 냉각제 냉각기는 더 많은 열을 주변으로 전달한다. 그러나 냉각제 흐름 온도 센서(15)에서 측정된 일정한 냉각제 흐름 온도(T3)가 설정되기 위해서는 차량 주행 시 냉각제 밸브(9)가 비례적으로 추가로 폐쇄되고, 냉각제 밸브(10)는 추가로 개방되며, 그리고 더 많은 냉각제가 바이패스(23)를 통해 안내된다.
도 8에는 앞서 설명된 도 7의 순환계가 정상 상태에서 외부 온도가 낮을 때의 냉매 순환계(A)의 전형적인 사이클로 log(p)h-다이어그램으로 도시되어 있다. 이 경우 정상 상태는 시스템이 이미 한참 동안 작동되었으며 과도 상태에 있는 것으로 이해할 수 있다. 도 7의 도시와 달리, 관련된 냉각제 질량 흐름 온도를 갖는 냉각제 질량 흐름(M2)과 냉각제 질량 흐름(M1)으로 이루어진 혼합물 온도로서 냉각제 흐름 온도(T3)가 냉각제 냉각기(11)의 출구에서 냉각제 온도와 응축기 출구(T5) 온도를 갖는 수랭식 메인 응축기(2)의 배출구에서 주어지도록, 즉 온도 냉각제 냉각기 출구(T6)가 주어지도록 변경된다.
도 9는 냉각제 밸브(9 및 10)들의 제어 전략을 도시한다. 이러한 제어 전략 또는 제어 방법은, 냉매 순환계(A) 내의 압력 센서(7 또는 7a)에서 측정된 고압이 최적의 고압보다 낮을 때 냉각제 밸브(9)가 폐쇄되고 냉각제 밸브(10)는 개방되도록 설계된다. 이와 달리 냉매 순환계(A) 내의 압력 센서(7 또는 7a)에서 측정된 고압이 최적의 고압보다 높을 때는 냉매 밸브(9)가 개방되고 냉매 밸브(10)가 폐쇄된다. 냉매 순환계 내의 압력 센서(7 또는 7a)에서 측정된 고압이 최적의 고압에 상응할 때는 냉매 밸브(9 및 10)들의 개구 단면적이 유지된다.
또한, 차량 속도에 따라 냉각제 밸브 위치의 파일럿 제어가 바람직하며, 그 결과 차량 속도가 증가함에 따라 냉매 순환계(A) 내의 압력 센서(7 또는 7a)에서 측정된 고압이 설정되면 냉각제 밸브(9)가 추가로 폐쇄되고 냉각제 밸브(10)가 추가로 개방된다. 차량 속도가 감소되면 냉각제 밸브(9)는 유사한 방식으로 추가로 개방되고 냉각제 밸브(10)는 추가로 폐쇄된다.
도 10에는 냉매 순환계와 냉각제 순환계의 결합 회로의 또 다른 실시예가 도시되어 있으며, 이 경우 냉각제 냉각식 메인 응축기(2)의 하류에 추가 공랭식 보조 응축기(17)가 배치되어 있다. 높은 외부 온도에서는 공랭식 보조 응축기(17)가 열을 추가로 주변 공기(19)의 공기 흐름으로 방출하고, 배터리 냉각기(4)의 전체 냉각 용량을 증가시킬 수 있다. 낮은 외부 온도에서는 도입부에 기술한 바와 같이, 냉매 순환계(A) 내 압력 센서(7, 7a)의 고압 레벨을 증가시키는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 이러한 것이 추가적인 에어 플랩(18)들에 의해 방지되는 방식으로 공랭식 보조 응축기(17)가 주변 공기(19)에 의해 관류되고, 그리고 이러한 주변 공기로 열이 전달될 수 있는 것이 방지됨으로써 가능하다.
도 11에는, 에어 플랩들 대신 예를 들면 3/2 방향 밸브(20) 또는 대안적으로 분리된 2개의 냉매 밸브들이 수랭식 메인 응축기(2)의 냉매측 출구와 공랭식 보조 응축기(17)의 냉매측 입구 사이에 삽입되는 경우 상기 공랭식 보조 응축기(17)에서 에어 플랩(18)들이 생략될 수 있다는 취지에서 확장된 도 10에 도시된 실시예의 변형예가 도시되어 있다. 3/2 방향 밸브(20)는, 주변 온도가 높을 때는 전체 냉매 질량 흐름이 공랭식 보조 응축기(17)를 통해 흐르고, 주변 온도가 낮을 때는 전체 냉매 질량이 냉매용 바이패스(22)를 통해 흐르도록 제어된다. 공랭식 보조 응축기(17)의 냉매측 출구와 마디점(21) 사이에 도시되지 않은 추가 체크 밸브를 삽입함에 따라, 공랭식 서브 응축기(17)로의 냉매 이동을 방지할 수 있다.
1: 냉매 압축기
2: 냉각제 냉각식 메인 응축기
3: 팽창 부재, 스로틀 부재
4: 배터리 냉각기
5: 냉매 라인
6: 배터리 셀 모듈
7/7a: 압력 센서
8: 냉각제 펌프
9: 냉각제 밸브, 차단 부재
10: 냉각제 밸브, 차단 부재
11: 냉각제 냉각기
12: 분기점
13: 합류점
14: 냉각제 라인
15: 냉각제 흐름 온도 센서
16: 냉각 공기
17: 공랭식 보조 응축기
18: 에어 플랩
19: 주변 공기
20: 3/2 방향 밸브
21: 마디점
22: 냉매 바이패스
23: 냉각제 바이패스, 냉각제 냉각기 바이패스
A: 냉매 순환계
B: 냉각제 순환계
T1: 배터리 셀 온도
T2: 주변 온도
T3: 냉각제 흐름 온도
T4: 온도차
T5: 응축기 출구 온도
T6: 냉각제 냉각기 출구 온도
M1: 냉각제 질량 흐름 1, 부분 질량 흐름
M2: 냉각제 질량 유량 2, 부분 질량 흐름
M12: 냉각제 총 질량 흐름

Claims (12)

  1. 냉매 압축기(1), 냉매용 냉각제 냉각식 메인 응축기(2), 팽창 부재(3) 및 배터리 셀 모듈(6)을 냉각하는 배터리 냉각기(4)를 갖는 냉매 순환계(A)와 컴포넌트들을 연결하는 냉매 라인(5)들을 포함하고, 추가로 냉각제 펌프(8), 냉각제 냉각기(11) 및 상기 냉각제 냉각식 메인 응축기(2)를 갖는 냉각제 순환계(B)와 컴포넌트들을 연결하는 냉각제 라인(14)들을 포함하는, 배터리 셀 모듈(6)을 냉각하기 위한 장치로서,
    상기 냉각제 순환계(B) 내에, 상기 냉각제 냉각기(11)로 흐르는 냉각제를 차단할 수 있는 바이패스(23)가 배치되는 것을 특징으로 하는, 장치.
  2. 제1항에 있어서, 냉각제 총 질량 흐름(M12)이 냉각제 밸브(9, 10)들에 의해 부분 질량 흐름(M1, M2)으로 분할 및 조절될 수 있으며, 상기 바이패스(23) 및/또는 상기 냉각제 냉각기(11)를 통해 안내될 수 있도록 설계되는 것을 특징으로 하는, 장치.
  3. 제2항에 있어서, 부분 질량 흐름(M1, M2)으로 분할되는 상기 냉각제 총 질량 흐름(M12)을 조절하기 위해, 3/2 방향 밸브가 배치되는 것을 특징으로 하는, 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 냉매 순환계(A) 내에서 냉매 유동 방향으로 상기 메인 응축기(2) 뒤에 고압용 압력 센서(7)가 배치되는 것을 특징으로 하는, 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 냉매 순환계(A) 내에서 냉매 유동 방향으로 상기 메인 응축기(2) 앞에 고압용 압력 센서(7a)가 배치되는 것을 특징으로 하는, 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 냉매 순환계(A) 내에서 냉매 유동 방향으로 상기 팽창 부재(3)와 냉매 압축기(1) 사이에 저압용 압력 센서가 배치되는 것을 특징으로 하는, 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 냉매 순환계(A) 내에 추가의 병렬 및/또는 직렬 응축기들/가스 냉각기들 및/또는 증발기들 및/또는 팽창 부재들이 배치되는 것을 특징으로 하는, 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 냉매 순환계(A) 내에서 고압측에 하나 또는 다수의 고압 컬렉터 및/또는 저압측에 하나 또는 다수의 저압 컬렉터가 배치되고, 그리고/또는 하나의 내부 열교환기가 배치되는 것을 특징으로 하는, 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 장치를 이용하여 배터리 셀 모듈(6)을 냉각하기 위한 방법으로서,
    냉매 순환계 내에서 고압이 목표값보다 낮으면 상기 냉매 순환계(A) 내에서 고압이 목표값에 도달할 때까지 냉각제용 바이패스(23)를 통과하는 냉각제 질량 흐름(M2)이 증가하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  10. 제9항에 있어서, 냉각제 밸브(9 및 10)들의 파일럿 제어(pilot control)가 차량 속도에 따라 이루어지며, 차량 속도가 증가함에 따라 상기 냉매 순환계(A) 내 압력 센서(7, 7a)에서 고압이 조절되면, 상기 냉각제 밸브(9)가 추가로 폐쇄되고, 상기 냉각제 밸브(10)는 추가로 개방되며, 그리고 반대의 경우도 마찬가지로 적용되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 냉매 순환계(A)가 R1234yf, R134a, R744, R404a, R600a, R290, R152a, R32 및 이들의 혼합물로 작동되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 부분 질량 흐름(M1, M2)이 조절됨으로써 상기 냉매 순환계 내에 최적의 저압이 설정되는 것을 특징으로 하는, 방법.
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