KR20210037140A - 배터리 사용에 최적의 조건을 부여할 수 있는 전기자동차 공조 시스템 - Google Patents

배터리 사용에 최적의 조건을 부여할 수 있는 전기자동차 공조 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리 사용에 최적의 조건을 부여할 수 있는 전기자동차 공조 시스템에 관한 것으로 차량의 실내 난방과 배터리 승온에 필요한 에너지를 냉각수의 열교환을 통해 효율적으로 관리할 수 있도록 하기 위하여, 난방히터펌프(32)가 구비되어 펌프 가동으로 인해 송풍열을 전달시키는 열전달부(30); 상기 열전달부(30)에 이격 구비되며, 상기 전기자동차 내부의 실내난방을 위해 히터(12)가 구비되는 난방작동부(10); 상기 열전달부(30)에 이격 구비되며, 상기 전기자동차 내의 전류 공급을 위한 배터리(22)가 구비되는 열수득부(20); 상기 열전달부(30) 및 난방작동부(10)를 연결시킴과 아울러 상기 열전달부(30) 및 열수득부(20)를 연결시키도록 구성되어, 상기 열전달부(30)에서 발생되는 송풍열을 난방작동부(10)와 열수득부(20)로 각각 전달이동시키는 조절밸브(40); 상기 조절밸브(40)의 개폐를 조절제어하여 상기 열전달부(30)에서 난방작동부(10) 및 열수득부(20)로 각각 전달이동되는 송풍열의 전달양을 제어하는 제어부(50); 상기 난방작동부(10)와 열전달부(30)간에 직접 연결되어 상기 난방작동부(10)의 히터(12)에서 발생되는 폐열과 열교환된 제1냉각수를 열전달부(30)로 회수시키는 제1회수라인(19); 상기 열수득부(20)와 열전달부(30)간에 직접 연결되어 상기 열수득부(20)의 배터리(22)에서 발생되는 폐열과 열교환된 제2냉각수를 열전달부(30)로 회수시키는 제2회수라인(29);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 사용에 최적의 조건을 부여할 수 있는 전기자동차 공조 시스템{Electric vehicle air conditioning system that gives optimum conditions for battery}
본 발명은 배터리 사용에 최적의 조건을 부여할 수 있는 전기자동차 공조 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 차량의 실내 난방과 배터리 승온에 필요한 에너지를 냉각수의 열교환을 통해 효율적으로 관리할 수 있도록 하는 배터리 사용에 최적의 조건을 부여할 수 있는 전기자동차 공조 시스템에 관한 것이다.
최근 환경친화적 기술의 구현 및 에너지 고갈 등의 문제해결을 사회적 이슈로 대두되고 있는 것이 전기자동차이다. 전기자동차는 배터리로부터 전기를 공급받아 동력을 출력하는 모터를 이용하여 작동한다. 따라서, 이산화탄소의 배출이 없고, 소음이 아주 작으며, 모터의 에너지효율은 엔진의 에너지효율보다 높은 장점이 있어 친환경자동차로 각광받고 있다.
이런 전기자동차를 구현함에 있어 핵심기술은 배터리 모듈과 관련한 기술이며, 최근 배터리의 경량, 소형화, 짧은 충전시간 등에 대한 연구가 활발히 이루어 지고 있다. 배터리 모듈은 최적의 온도환경에서 사용하여야 최적의 성능과 긴 수명을 유지할 수 있다. 그러나 구동 중 발생하는 열과 외부의 온도변화에 의해 최적의 온도환경에서 사용하기 어려운 실정이다.
또한, 전기자동차는 내연기관처럼 별도의 엔진에서 연소시 발생되는 폐열원이 없어 전기식 난방장치로 겨울철 차량 실내난방을 수행하고, 또한 혹한기 시 배터리 충방전 성능을 향상시키기 위해 웜업이 필요하므로, 별도의 냉각수 가열식 전기 히터를 각각 구성하여 사용한다. 즉, 배터리 모듈의 최적의 온도환경 유지를 위해 배터리모듈 온도조절을 위한 냉난방 시스템을 차량 실내 공조를 위한 냉난방 시스템과는 별도로 운용하는 기술을 채택하고 있다. 다시 말하면, 독립된 2개의 냉난방 시스템을 구축하여 하나는 실내 냉난방에 사용하고, 다른 하나는 배터리 모듈 온도조절을 위한 용도로 활용하고 있는 것이다.
그러나 상기와 같은 방법으로 운영하는 경우 에너지를 효율적으로 관리하지 못하므로, 항속거리가 짧아 장거리 운행이 불가하며, 주행거리가 여름철 냉방시 30%, 겨울철 난방시 40% 이상 축소되어 내연기관에서 문제되지 않았던 겨울철 난방 문제가 더욱 심각해진다. 종래의 전기자동차 배터리 냉각/웜업 시스템은 실내 공기를 이용하여 에어컨 작동시 냉각, 난방 작동시 웜업을 하고 있으나 냉각/웜업시 소모동력이 증가하고, 공기로 배터리 냉각/웜업시 배터리 셀간 공간이 액상 유체(냉각수) 사용시 보다 증대 필요하여 패키지 공간 증대와 중량 추가 증대로 셀수 증대에 한계가 있고, 배터리 셀 통과시 공기온이 점차 상승되어 입구 셀과 출구 셀간 온도 편차가 심해 배터리를 최대 효율로 운전하기 어려운 상황이다.
그러므로 배터리 승온 필요시 별도의 전기 장치를 이용하여 냉각수 온도를 상승시켜 이를 통해 배터리를 웜업하여 배터리의 온도가 최적의 효율로 작동토록 38~42℃로 유지하나, 실내난방용 전기히터와 배터리 승온을 위한 전기히터가 각각 별도로 적용되고 있어 원가 상승 요인과 히터 운용에서 에너지 낭비 요소가 많이 발생하는 실정이다.
한편, 이러한 전기자동차의 핵심기술은 배터리 모듈관련이며, 그 배터리의 경량화, 소형화, 짧은 충전시간 등을 구현하기 위한 다양한 연구들이 진행중에 있다. 또한, 배터리는 최적의 온도환경에서 사용되어야 그 성능 및 긴 수명을 유지할 수가 있으며, 현재의 기술력으로는 구동 중 발생하는 열과 외부의 온도변화에 따라 최적을 성능을 유지 및 긴 수명을 보장받지 못하고 있는 실정이다.
공개특허 제10-2018-0045211호
이에 본 발명은 상기한 문제점을 일소하기 위해 창안한 것으로서, 차량의 실내 난방과 배터리 승온에 필요한 에너지를 냉각수의 열교환을 통해 효율적으로 관리할 수 있도록 하는 배터리 사용에 최적의 조건을 부여할 수 있는 전기자동차 공조 시스템에 주안점을 두고 그 기술적 과제로서 완성한 것이다.
위 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 배터리 사용에 최적의 조건을 부여할 수 있는 전기자동차 공조 시스템을 구성함에 있어서, 난방히터펌프(32)가 구비되어 펌프 가동으로 인해 송풍열을 전달시키는 열전달부(30); 상기 열전달부(30)에 이격 구비되며, 상기 전기자동차 내부의 실내난방을 위해 히터(12)가 구비되는 난방작동부(10); 상기 열전달부(30)에 이격 구비되며, 상기 전기자동차 내의 전류 공급을 위한 배터리(22)가 구비되는 열수득부(20); 상기 열전달부(30) 및 난방작동부(10)를 연결시킴과 아울러 상기 열전달부(30) 및 열수득부(20)를 연결시키도록 구성되어, 상기 열전달부(30)에서 발생되는 송풍열을 난방작동부(10)와 열수득부(20)로 각각 전달이동시키는 조절밸브(40); 상기 조절밸브(40)의 개폐를 조절제어하여 상기 열전달부(30)에서 난방작동부(10) 및 열수득부(20)로 각각 전달이동되는 송풍열의 전달양을 제어하는 제어부(50); 상기 난방작동부(10)와 열전달부(30)간에 직접 연결되어 상기 난방작동부(10)의 히터(12)에서 발생되는 폐열과 열교환된 제1냉각수를 열전달부(30)로 회수시키는 제1회수라인(19); 상기 열수득부(20)와 열전달부(30)간에 직접 연결되어 상기 열수득부(20)의 배터리(22)에서 발생되는 폐열과 열교환된 제2냉각수를 열전달부(30)로 회수시키는 제2회수라인(29);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 배터리 사용에 최적의 조건을 부여할 수 있는 전기자동차 공조 시스템을 제공한다.
이때, 상기 히터(12)를 거쳐 열교환되어 제1회수라인(19)을 통해 이동되는 제1냉각수의 온도가 -5∼0℃의 경우, 상기 난방히터펌프(32)를 2,400∼3,000rpm 의 회전수로 작동시키도록 하고, 제1냉각수의 온도가 0∼15℃의 경우, 상기 난방히터펌프(32)를 2,000∼2,400rpm 의 회전수로 작동시키도록 하며, 제1냉각수의 온도가 15∼30℃의 경우, 상기 난방히터펌프(32)를 1,600∼2,000rpm 의 회전수로 작동시키도록 구성함을 특징으로 한다.
또한, 상기 배터리(22)를 거쳐 열교환되어 제2회수라인(29)을 통해 이동되는 제2냉각수의 온도가 -5∼0℃의 경우, 상기 난방히터펌프(32)를 2,400∼3,000rpm 의 회전수로 작동시키도록 하고, 제1냉각수의 온도가 0∼15℃의 경우, 상기 난방히터펌프(32)를 2,000∼2,400rpm 의 회전수로 작동시키도록 하며, 제1냉각수의 온도가 15∼30℃의 경우, 상기 난방히터펌프(32)를 1,600∼2,000rpm 의 회전수로 작동시키도록 구성함을 특징으로 한다.
또한, 상기 난방히터펌프(32)에 전기히터(12)가 연결되어, 상기 히터(12) 및 배터리(22) 중 어느 하나의 온도가 -5∼0℃의 경우, 상기 난방히터펌프(32)를 2,400∼3,000rpm 의 회전수로 작동시키도록 함과 동시에, 상기 전기히터(12)를 작동시켜 송풍열을 고온으로 전달시키도록 구성함을 특징으로 한다.
그리고, 상기 난방작동부(10) 및 열수득부(20)에는 히터(12) 및 배터리(22)에서 발생되는 폐열공기를 외부로 배출하도록 각각 공기배출관(16,26)을 구비하되, 상기 공기배출관(17,27) 상에는 난방작동부(10) 및 열수득부(20) 내의 압력이 설정압을 기준으로 하여 상승되면 개방되고 하강하면 폐쇄되는 체크밸브(17,27)가 각각 구비됨을 특징으로 한다.
상기한 본 발명에 의하면 차량의 실내 난방과 배터리 승온에 필요한 에너지를 냉각수의 열교환을 통해 효율적으로 관리할 수 있게 되는 등의 효과가 있다.
또한, 열전달부에서는 난방작동부의 히터에서 발생되는 폐열, 열수득부에서는 배터리에서 발생되는 폐열을 각각 냉각수로 온도를 낮추는 과정에서 온도 상승된 냉각수를 회수전달받아 그 회수열을 다시 난방작동부로 전달시킴으로써 전기자동차 내의 난방에 필요한 에너지를 절약할 수 있게 되는 효과가 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 의한 배터리 사용에 최적의 조건을 부여할 수 있는 전기자동차 공조 시스템의 공정 예시도
이하 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 첨부한 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 차량의 실내 난방과 배터리 승온에 필요한 에너지를 냉각수의 열교환을 통해 효율적으로 관리할 수 있도록 하는 배터리 사용에 최적의 조건을 부여할 수 있는 전기자동차 공조 시스템에 관한 것으로서 도 1 내지 도 2를 참조하여 보면 열전달부(30), 난방작동부(10), 열수득부(20), 조절밸브(40), 제어부(50), 제1회수라인(19) 및 제2회수라인(29)을 포함하여 이루어진다.
본 발명의 구현을 위해 구비되는 상기 열전달부(30)는 도 1에서와 같이 난방히터펌프(32)가 구비되어 펌프 가동으로 인해 송풍열을 전달시키도록 구성된다. 상기 난방히터펌프(32)는 후술되는 난방작동부(10)에 난방열을 지속적으로 전달공급하도록 하기 위한 것이다.
그리고, 상기 열전달부(30)에 이격 구비되며, 상기 전기자동차 내부의 실내난방을 위해 히터(12)가 구비되는 난방작동부(10)가 마련되고, 상기 열전달부(30)에 이격 구비되며, 상기 전기자동차 내의 전류 공급을 위한 배터리(22)가 구비되는 열수득부(20)가 마련된다.
또한, 상기 열전달부(30) 및 난방작동부(10)를 연결시킴과 아울러 상기 열전달부(30) 및 열수득부(20)를 연결시키도록 구성되어, 상기 열전달부(30)에서 발생되는 송풍열을 난방작동부(10)와 열수득부(20)로 각각 전달이동시키는 조절밸브(40)가 구비되고, 상기 조절밸브(40)의 개폐를 조절제어하여 상기 열전달부(30)에서 난방작동부(10) 및 열수득부(20)로 각각 전달이동되는 송풍열의 전달양을 제어하는 제어부(50)가 구비된다.
이때, 상기 열전달부(30)에서는 난방작동부(10)의 히터(12)에서 발생되는 폐열, 열수득부(20)에서는 배터리(22)에서 발생되는 폐열을 각각 냉각수로 온도를 낮추는 과정에서 온도 상승된 냉각수를 회수전달받아 그 회수열을 다시 난방작동부(10)로 전달시킴으로써 전기자동차 내의 난방에 필요한 에너지를 절약하기 위해 사용되는 것이다.
이의 구현을 위해 도 2에서와 같이 상기 난방작동부(10)와 열전달부(30)간에 직접 연결되어 상기 난방작동부(10)의 히터(12)에서 발생되는 폐열과 열교환된 제1냉각수를 열전달부(30)로 회수시키는 제1회수라인(19)을 구비하고, 또한, 상기 열수득부(20)와 열전달부(30)간에 직접 연결되어 상기 열수득부(20)의 배터리(22)에서 발생되는 폐열과 열교환된 제2냉각수를 열전달부(30)로 회수시키는 제2회수라인(29)을 구비한다.
이때, 상기 난방작동부(10) 및 열수득부(20)에는 히터(12) 및 배터리(22)에서 발생되는 폐열공기를 외부로 배출하도록 각각 공기배출관(16,26)을 구비하되, 상기 공기배출관(17,27) 상에는 난방작동부(10) 및 열수득부(20) 내의 압력이 설정압을 기준으로 하여 상승되면 개방되고 하강하면 폐쇄되는 체크밸브(17,27)가 각각 구비되도록 함이 바람직하다.
상술된 본 발명에 의한 배터리 사용에 최적의 조건을 부여할 수 있는 전기자동차 공조 시스템의 작동을 실시예를 들어 설명하면 하기와 같다.
상기 난방작동부(10)의 실시예로서, 상기 히터(12)를 거쳐 열교환되어 제1회수라인(19)을 통해 이동되는 제1냉각수의 온도가 -5∼0℃의 경우, 상기 난방히터펌프(32)를 2,400∼3,000rpm 의 회전수로 작동시키도록 하고, 제1냉각수의 온도가 0∼15℃의 경우, 상기 난방히터펌프(32)를 2,000∼2,400rpm 의 회전수로 작동시키도록 하며, 제1냉각수의 온도가 15∼30℃의 경우, 상기 난방히터펌프(32)를 1,600∼2,000rpm 의 회전수로 작동시키도록 구성함으로써 회수열의 손실 없이 지속적으로 전달시켜가며 사용할 수 있게 된다.
상기 열수득부(20)의 경우에는, 상기 배터리(22)를 거쳐 열교환되어 제2회수라인(29)을 통해 이동되는 제2냉각수의 온도가 -5∼0℃의 경우, 상기 난방히터펌프(32)를 2,400∼3,000rpm 의 회전수로 작동시키도록 하고, 제1냉각수의 온도가 0∼15℃의 경우, 상기 난방히터펌프(32)를 2,000∼2,400rpm 의 회전수로 작동시키도록 하며, 제1냉각수의 온도가 15∼30℃의 경우, 상기 난방히터펌프(32)를 1,600∼2,000rpm 의 회전수로 작동시키도록 구성한다.
이때, 또 다른 실시예로서 상기 난방히터펌프(32)에 전기히터(12)를 추가 연결하여 상기 히터(12) 및 배터리(22) 중 어느 하나의 온도가 -5∼0℃의 경우, 상기 난방히터펌프(32)를 2,400∼3,000rpm 의 회전수로 작동시키도록 함과 동시에, 상기 전기히터(12)를 작동시켜 송풍열을 고온으로 전달시키도록 구성할 수 있다.
상술된 본 발명의 배터리 사용에 최적의 조건을 부여할 수 있는 전기자동차 공조 시스템에 의하면 차량의 실내 난방과 배터리 승온에 필요한 에너지를 냉각수의 열교환을 통해 효율적으로 관리할 수 있게 된다.
이상에서 설명한 본 발명은, 도면에 도시된 일실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 명확히 하여야 할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 난방작동부 12 : 히터
19 : 재1회수라인 20 : 열수득부
22 : 배터리 29 : 제2회수라인
30 : 열전달부 32 : 난방히터펌프
40 : 조절밸브 50 : 제어부

Claims (5)

  1. 배터리 사용에 최적의 조건을 부여할 수 있는 전기자동차 공조 시스템을 구성함에 있어서,
    난방히터펌프(32)가 구비되어 펌프 가동으로 인해 송풍열을 전달시키는 열전달부(30);
    상기 열전달부(30)에 이격 구비되며, 상기 전기자동차 내부의 실내난방을 위해 히터(12)가 구비되는 난방작동부(10);
    상기 열전달부(30)에 이격 구비되며, 상기 전기자동차 내의 전류 공급을 위한 배터리(22)가 구비되는 열수득부(20);
    상기 열전달부(30) 및 난방작동부(10)를 연결시킴과 아울러 상기 열전달부(30) 및 열수득부(20)를 연결시키도록 구성되어, 상기 열전달부(30)에서 발생되는 송풍열을 난방작동부(10)와 열수득부(20)로 각각 전달이동시키는 조절밸브(40);
    상기 조절밸브(40)의 개폐를 조절제어하여 상기 열전달부(30)에서 난방작동부(10) 및 열수득부(20)로 각각 전달이동되는 송풍열의 전달양을 제어하는 제어부(50);
    상기 난방작동부(10)와 열전달부(30)간에 직접 연결되어 상기 난방작동부(10)의 히터(12)에서 발생되는 폐열과 열교환된 제1냉각수를 열전달부(30)로 회수시키는 제1회수라인(19);
    상기 열수득부(20)와 열전달부(30)간에 직접 연결되어 상기 열수득부(20)의 배터리(22)에서 발생되는 폐열과 열교환된 제2냉각수를 열전달부(30)로 회수시키는 제2회수라인(29);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 배터리 사용에 최적의 조건을 부여할 수 있는 전기자동차 공조 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 히터(12)를 거쳐 열교환되어 제1회수라인(19)을 통해 이동되는 제1냉각수의 온도가 -5∼0℃의 경우, 상기 난방히터펌프(32)를 2,400∼3,000rpm 의 회전수로 작동시키도록 하고, 제1냉각수의 온도가 0∼15℃의 경우, 상기 난방히터펌프(32)를 2,000∼2,400rpm 의 회전수로 작동시키도록 하며, 제1냉각수의 온도가 15∼30℃의 경우, 상기 난방히터펌프(32)를 1,600∼2,000rpm 의 회전수로 작동시키도록 구성함을 특징으로 하는 배터리 사용에 최적의 조건을 부여할 수 있는 전기자동차 공조 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 배터리(22)를 거쳐 열교환되어 제2회수라인(29)을 통해 이동되는 제2냉각수의 온도가 -5∼0℃의 경우, 상기 난방히터펌프(32)를 2,400∼3,000rpm 의 회전수로 작동시키도록 하고, 제1냉각수의 온도가 0∼15℃의 경우, 상기 난방히터펌프(32)를 2,000∼2,400rpm 의 회전수로 작동시키도록 하며, 제1냉각수의 온도가 15∼30℃의 경우, 상기 난방히터펌프(32)를 1,600∼2,000rpm 의 회전수로 작동시키도록 구성함을 특징으로 하는 배터리 사용에 최적의 조건을 부여할 수 있는 전기자동차 공조 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 난방히터펌프(32)에 전기히터(12)가 연결되어, 상기 히터(12) 및 배터리(22) 중 어느 하나의 온도가 -5∼0℃의 경우, 상기 난방히터펌프(32)를 2,400∼3,000rpm 의 회전수로 작동시키도록 함과 동시에, 상기 전기히터(12)를 작동시켜 송풍열을 고온으로 전달시키도록 구성함을 특징으로 하는 배터리 사용에 최적의 조건을 부여할 수 있는 전기자동차 공조 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 난방작동부(10) 및 열수득부(20)에는 히터(12) 및 배터리(22)에서 발생되는 폐열공기를 외부로 배출하도록 각각 공기배출관(16,26)을 구비하되, 상기 공기배출관(17,27) 상에는 난방작동부(10) 및 열수득부(20) 내의 압력이 설정압을 기준으로 하여 상승되면 개방되고 하강하면 폐쇄되는 체크밸브(17,27)가 각각 구비됨을 특징으로 하는 배터리 사용에 최적의 조건을 부여할 수 있는 전기자동차 공조 시스템.
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KR20180045211A (ko) 2016-10-25 2018-05-04 현대자동차주식회사 전기자동차의 배터리 soc를 이용한 원격 공조 제어 시스템

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