KR20220007758A - 차량 전력계통의 열관리 시스템 - Google Patents

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KR20220007758A
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이건구
양승우
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 차량 전력계통의 열관리 시스템에 관한 것으로, 종래 시스템 대비 3방 밸브의 사용 갯수를 감소시켜 시스템 원가를 절감하는 동시에 종래 시스템과 동등 수준의 냉각성능 및 승온성능을 구현할 수 있는, 차량 전력계통의 열관리 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

Description

차량 전력계통의 열관리 시스템 {Thermal management system of vehicle electric power system}
본 발명은 차량 전력계통의 열관리 시스템에 관한 것으로, 상세하게는 전력계통의 냉각수 유동을 제어하여 전력계통의 열관리를 수행하기 위한 열관리 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 전기자동차는 차량 구동력을 제공하는 전력계통의 열관리를 위해 냉각수를 이용한 열관리 시스템을 탑재하고 있다. 상기 열관리 시스템은 전력계통에 순환하는 냉각수를 냉각하거나 히팅하여 전력계통의 열을 관리할 수 있도록 구성된다.
종래의 열관리 시스템은, 냉각수 저장을 위한 리저버 탱크, 냉각수 냉각을 위한 라디에이터와 칠러, 냉각수 가열을 위한 냉각수 히터, 냉각수 압송을 위한 2개의 전자식 워터 펌프, 냉각수 유동을 제어하기 위한 2개의 3방 밸브의 조합으로 구성된 열관리 회로와 상기 열관리 회로의 냉각수 온도 제어 및 유동 제어를 위한 제어부로 구성된다.
상기 열관리 시스템은, 차량의 구동을 위한 전력계 부품과 전력계 부품에 전력을 제공하는 배터리 시스템의 냉각수 유로에 냉각수를 순환시켜서 상기 전력계 부품과 배터리 시스템의 온도를 제어할 수 있다.
또한 상기 열관리 시스템은 필요에 따라 전력계 부품과 배터리 시스템을 분리시켜 개별 냉각하거나 또는 전력계 부품과 배터리 시스템을 통합 냉각하게 된다.
이를 위해 상기 열관리 시스템은 2개의 3방 밸브의 작동을 제어하여 냉각수의 유동방향을 결정하게 된다.
그런데 상기의 3방 밸브는 일반적인 단방향 밸브 대비 고가의 부품이기 때문에 시스템 원가를 상승시키는 큰 요인으로 작용하게 된다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 종래 시스템 대비 3방 밸브의 사용 갯수를 감소시켜 시스템 원가를 절감하는 동시에 종래 시스템과 동등 수준의 냉각성능 및 승온성능을 구현할 수 있는, 차량 전력계통의 열관리 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
이에 본 발명은: 냉각수 유동방향의 제1지점과 제2지점을 기준으로 구분가능한 제5유로와 제6유로로 구성되고, 상기 제5유로에 전력계 부품과 라디에이터 및 제1워터펌프가 배치된 제1유로; 냉각수 유동방향의 제1지점과 제2지점을 기준으로 구분가능한 제7유로와 제8유로로 구성되고, 상기 제7유로에 배터리 시스템과 칠러 및 제2워터펌프가 배치된 제2유로; 상기 제1유로와 제2유로 간에 냉각수 유동이 가능하도록 상기 제1유로의 제1지점과 상기 제2유로의 제1지점을 연결하는 제3유로; 상기 제1유로와 제2유로 간에 냉각수 유동이 가능하도록 상기 제1유로의 제2지점과 상기 제2유로의 제2지점을 연결하는 제4유로; 상기 제1유로와 제4유로의 접속 지점에 설치되어 상기 제1유로와 제4유로의 접속 지점에서 냉각수 유동방향을 제어하는 3방 밸브; 전력계 열관리 모드에 따라 상기 3방 밸브의 작동을 제어하여서 상기 제1유로와 제4유로의 접속 지점에서 상기 3방 밸브의 냉각수 유동방향을 결정하는 제어부;를 포함하는 차량 전력계통의 열관리 시스템을 제공한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 제1유로는 제1워터펌프에 의해 전력계 부품과 라디에이터에 냉각수가 순환할 수 있도록 구성되고, 상기 제5유로에는 냉각수를 저장하기 위한 리저버 탱크가 설치된다. 또한 상기 제2유로는 제2워터펌프에 의해 배터리 시스템과 칠러에 냉각수가 순환할 수 있도록 구성되고, 상기 제7유로에는 냉각수를 가열하기 위한 냉각수 히터가 설치된다. 또한 상기 제8유로에서 분기되어 상기 리저버 탱크와 연결되는 제10유로를 포함하고, 상기 제10유로에는 제8유로와 리저버 탱크 사이에 냉각수 유동을 제어하는 원웨이 밸브가 설치된다. 또한 상기 3방 밸브는, 제5유로와 연통되는 제1포트와, 제6유로와 연통되는 제2포트, 및 제4유로와 연통되는 제3포트를 포함하여 구성된다.
또한 본 발명의 실시예에 의하면, 상기 전력계 열관리 모드는 통합 모드와 분리 모드로 구분되고, 상기 3방 밸브는 통합 모드로 제어될 때 상기 제1포트와 제3포트를 개방하고 상기 제2포트를 폐쇄하게 된다. 상기 제1포트와 제3포트가 개방되고 제3포트가 폐쇄될 때, 상기 제2유로의 제1지점에서 제1유로의 제1지점 측으로 냉각수 유동이 허용되고, 상기 제1유로의 제2지점에서 제2유로의 제2지점 측으로 냉각수 유동이 허용된다. 또한 상기 제1포트와 제3포트가 개방되고 제3포트가 폐쇄될 때, 상기 제2유로의 제1지점에서 제8유로 측으로 냉각수 유동이 분기된다.
그리고 상기 3방 밸브는 분리 모드로 제어될 때 상기 제1포트와 제2포트를 개방하고 상기 제3포트를 폐쇄하게 된다. 상기 제1포트와 제2포트가 개방되고 상기 제3포트가 폐쇄될 때, 상기 제3유로와 제4유로에 냉각수 유동이 미발생한다.
또한 본 발명의 실시예에 의하면, 상기 제어부는, 3방 밸브가 통합 모드로 제어되거나 분리 모드로 제어될 때, 상기 원웨이 밸브를 폐쇄 작동시켜서 상기 제10유로의 냉각수 유동을 차단한다. 또한 상기 제어부는, 리저버 탱크에 냉각수를 주입할 때, 상기 원웨이 밸브를 개방 작동시켜서 상기 제10유로의 냉각수 유동을 허용한다.
아울러 본 발명의 실시예에 의하면, 상기 제어부는, 3방 밸브가 통합 모드로 제어될 때에는 상기 제1워터펌프의 속도를 제2워터펌프의 속도에 설정된 기준속도를 더한 속도값으로 제어하고, 상기 3방 밸브가 분리 모드로 제어될 때에는 상기 제1워터펌프의 속도와 제2워터펌프의 속도를 개별 제어한다.
상기한 과제의 해결 수단을 통하여 본 발명은 다음과 같은 주요한 효과를 제공할 수 있다.
첫째, 1개의 3방 밸브만 사용하고도, 2개의 3방 밸브를 적용한 종래의 열관리 시스템과 마찬가지로 통합 모드 및 분리 모드로 냉각수 유동을 제어할 수 있다.
둘째, 2개의 3방 밸브를 적용한 종래의 열관리 시스템과 동등 수준의 냉각 성능 및 승온 성능을 확보할 수 있으며, 종래의 열관리 시스템 대비 원가 절감이 가능한 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량 전력계통의 열관리 시스템을 나타낸 구성도
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열관리 시스템의 분리 모드에 따른 냉각수 유동을 나타낸 도면
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열관리 시스템의 통합 모드에 따른 냉각수 유동을 나타낸 도면
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 첨부된 도면에 표현된 사항들은 본 발명의 실시예를 쉽게 설명하기 위해 도식화된 도면으로 실제로 구현되는 형태와 상이할 수 있다.
첨부한 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량 전력계통의 열관리 시스템 구성을 나타낸 도면이다.
본 발명의 열관리 시스템은 냉각수를 이용하여 차량 전력계통의 열관리를 수행하는 시스템으로서, 도 1에 도시된 바와 같이 전력계통에 순환하는 냉각수를 냉각하거나 히팅하여 전력계통의 열을 관리할 수 있도록 구성된다.
차량 전력계통은 주행 구동력을 제공하기 위한 전력계 부품(54)과 상기 전력계 부품(54)에 전력을 제공하는 배터리 시스템(74) 등을 포함한다. 구체적으로, 상기 전력계 부품(54)은 차량 구동을 위한 모터와 상기 모터에 공급되는 전력의 변환을 위한 전력변환장치 등이 포함될 수 있다. 또한 상기 전력계 부품(54)은 PE(Power Electric) 부품이라고 칭하기도 한다. 상기 배터리 시스템(74)은 차량 구동 전력을 제공하는 배터리 등이 포함된다.
상기 열관리 시스템은, 전력계 부품(54) 및 배터리 시스템(74)에 냉각수를 순환시킬 수 있는 유로와, 상기 냉각수의 온도 조절 및 유동 제어를 위한 부재 등을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 열관리 시스템의 유로는, 제1유로(10)와 제2유로(20)와 제3유로(30) 및 제4유로(40) 등을 포함하여 구성된다.
제1유로(10)는, 폐루프 형태로 형성되는 유로이며, 제1워터펌프(52)에 의해 전력계 부품(54)과 라디에이터(56)에 냉각수가 순환하여 유동할 수 있도록 구성된다.
전력계 부품(54)은 제1유로(10)에 배치되어 제1유로(10)에 흐르는 냉각수에 의해 냉각되거나 또는 승온될 수 있다.
라디에이터(56)는 차량 외부공기와의 열교환에 의해 냉각수를 냉각하도록 구성된다.
제1워터펌프(52)는 제1유로(10)에 설치되어 제1유로(10)에 냉각수를 유동시키는 역할을 한다. 제1워터펌프(52)는 전기 제어(Electric Control)가 가능한 전기식 워터펌프이다.
제1워터펌프(52)에 의해 압송되는 냉각수는 제1유로(10)를 순환함에 의해 전력계 부품(54)의 열관리를 가능하게 한다.
또한 제1유로(10)에는 냉각수가 저장되는 리저버 탱크(58)가 배치될 수 있다. 제1워터펌프(52)는 리저버 탱크(58)의 냉각수를 펌핑하여 제1유로(10)에 유동시킬 수 있다.
도 1을 참조하면, 제1유로(10)는 제1워터펌프(52)와 전력계 부품(54)과 라디에이터(56) 및 리저버 탱크(58)의 순으로 냉각수가 순환하도록 구성될 수 있다.
제2유로(20)는, 폐루프 형태로 형성되는 유로이며, 제2워터펌프(72)에 의해 배터리 시스템(74)과 칠러(76)에 냉각수가 순환하여 유동할 수 있도록 구성된다.
배터리 시스템(74)은 제2유로(20)에 배치되어 제2유로(20)에 흐르는 냉각수에 의해 냉각되거나 또는 승온될 수 있다.
칠러(76)는 냉매를 이용하여 냉각수를 냉각하도록 구성된다. 구체적으로, 칠러(76)는 차량 공조장치(80)의 냉매를 이용하여 냉각수를 냉각할 수 있다. 상기 공조장치(80)는 제9유로(26)를 통해 칠러(76)와 연결될 수 있다.
제2워터펌프(72)는 제2유로(20)에 설치되어 제2유로(20)에 냉각수를 유동시키는 역할을 한다. 제2워터펌프(72)는 전기 제어가 가능한 전기식 워터펌프이다.
제2워터펌프(72)에 의해 압송되는 냉각수는 제2유로(20)를 순환함에 의해 배터리 시스템(74)의 열관리를 가능하게 한다.
또한 제2유로(20)에는 냉각수를 가열하기 위한 냉각수 히터(78)가 설치될 수 있다.
도 1을 참조하면, 제2유로(20)는 제2워터펌프(72)와 배터리 시스템(74)과 냉각수 히터(78) 및 칠러(76)의 순으로 냉각수가 순환하도록 구성될 수 있다.
상기 제1유로(10)와 제2유로(20)는 제3유로(30)와 제4유로(40)를 통해 연결될 수 있다.
제3유로(30)는, 제1유로(10)의 제1지점(P1)과 제2유로(20)의 제1지점(P3)을 연결하도록 형성되어서 제1유로(10)와 제2유로(20) 간에 냉각수 유동을 가능하게 한다.
제3유로(30)에는, 워터펌프(52,72)의 냉각수 압송방향에 따른 냉각수 유동이 발생할 수 있다. 구체적으로 제3유로(30)에는, 제1워터펌프(52) 및 제2워터펌프(72)의 냉각수 압송방향에 따라, 제2유로(20)에서 제1유로(10)측으로 냉각수 유동이 발생할 수 있다. 상기 워터펌프(52,72)의 냉각수 압송방향을 변경하는 경우, 제1유로(10)의 제1지점(P1)에서 제2유로(20)의 제1지점(P3)으로 흐르는 냉각수 유동도 발생할 수 있다.
도 1을 참조하면, 상기 제1유로(10)의 제1지점(P1)은 제1워터펌프(52)와 리저버 탱크(58) 사이의 한 지점일 수 있다. 구체적으로 냉각수가 제1워터펌프(52)에서부터 전력계 부품(54)과 라디에이터(56) 및 리저버 탱크(58)의 순으로 흐르는 경우, 상기 제1유로(10)의 제1지점(P1)은 냉각수 유동방향을 기준으로 제1워터펌프(52)의 전단과 리저버 탱크(58)의 후단 사이에 한 지점일 수 있다.
그리고 상기 제2유로(20)의 제1지점(P3)은, 제2워터펌프(72)와 칠러(76) 사이의 한 지점일 수 있다. 구체적으로 냉각수가 제2워터펌프(72)에서부터 배터리 시스템(74)과 냉각수 히터(78) 및 칠러(76)의 순으로 흐르는 경우, 제2유로(20)의 제1지점(P3)은 냉각수 유동방향을 기준으로 제2워터펌프(72)의 전단과 칠러(76)의 후단 사이에 한 지점일 수 있다.
제4유로(40)는, 제1유로(10)의 제2지점(P2)과 제2유로(20)의 제2지점(P4)을 연결하도록 형성되어서 제1유로(10)와 제2유로(20) 간에 냉각수 유동을 허용할 수 있다.
제4유로(40)에는, 워터펌프(52,72)의 냉각수 압송방향에 따른 냉각수 유동이 발생할 수 있다. 구체적으로 제4유로(40)에는, 제1워터펌프(52) 및 제2워터펌프(72)의 냉각수 압송방향에 따라, 제1유로(10)에서 제2유로(20)측으로 흐르는 냉각수 유동이 발생할 수 있다. 또한 상기 워터펌프(52,72)의 냉각수 압송방향을 변경하는 경우, 제4유로(40)에는, 제2유로(20)의 제2지점(P4)에서 제1유로(10)의 제2지점(P2)으로 흐르는 냉각수 유동도 발생할 수 있다.
도 1을 참조하면, 상기 제1유로(10)의 제2지점(P2)은, 제1유로(10)의 제1지점(P1)과 리저버 탱크(58) 사이의 한 지점일 수 있다. 구체적으로 냉각수가 제1워터펌프(52)에서부터 전력계 부품(54)과 라디에이터(56) 및 리저버 탱크(58)의 순으로 흐르는 경우, 상기 제1유로(10)의 제2지점(P2)은 냉각수 유동방향을 기준으로 제1유로(10)의 제1지점(P1)과 리저버 탱크(58)의 후단 사이에 한 지점일 수 있다.
그리고 상기 제2유로(20)의 제2지점(P4)은, 제2유로(20)의 제1지점(P3)과 제2워터펌프(72) 사이의 한 지점일 수 있다. 구체적으로 냉각수가 제2워터펌프(72)에서부터 배터리 시스템(74)과 냉각수 히터(78) 및 칠러(76)의 순으로 흐르는 경우, 제2유로(20)의 제2지점(P4)은 냉각수 유동방향을 기준으로 제2워터펌프(72)의 전단과 제2유로(20)의 제1지점(P3) 사이에 한 지점일 수 있다.
또한 상기 제1유로(10)는 제1지점(P1)과 제2지점(P2)을 기준으로 제5유로(12)와 제6유로(14)로 구분될 수 있다. 즉, 제1유로(10)는 제1지점(P1)과 제2지점(P2)을 기준으로 구분가능한 제5유로(12)와 제6유로(14)로 구성될 수 있다.
구체적으로, 제1유로(10)의 제1지점(P1)과 제2지점(P2)을 기준으로, 상기 제5유로(12)는 제1워터펌프(52)와 전력계 부품(54)과 라디에이터(56) 및 리저버 탱크(58)가 배치된 부분이고, 상기 제6유로(14)는 제1워터펌프(52)와 전력계 부품(54)과 라디에이터(56) 및 리저버 탱크(58)가 미배치된 부분이다.
다시 말해 제1유로(10)는, 제1워터펌프(52)와 전력계 부품(54)과 라디에이터(56) 및 리저버 탱크(58)가 배치된 제5유로(12)와, 제1유로(10)의 제1지점(P1)과 제2지점(P2)에서 상기 제5유로(12)와 연결되는 제6유로(14)로 구성될 수 있다.
그리고 상기 제2유로(20)는 제1지점(P3)과 제2지점(P4)을 기준으로 제7유로(22)와 제8유로(24)로 구분될 수 있다. 즉, 제2유로(20)는 제1지점(P3)과 제2지점(P4)을 기준으로 구분가능한 제7유로(22)와 제8유로(24)로 구성될 수 있다.
구체적으로, 제2유로(20)의 제1지점(P3)과 제2지점(P4)을 기준으로, 상기 제7유로(22)는 제2워터펌프(72)와 배터리 시스템(74)과 냉각수 히터(78) 및 칠러(76)가 배치된 부분이고, 상기 제8유로(24)는 제2워터펌프(72)와 배터리 시스템(74)과 냉각수 히터(78) 및 칠러(76)가 미배치된 부분이다.
다시 말해 제2유로(20)는, 제2워터펌프(72)와 배터리 시스템(74)과 냉각수 히터(78) 및 칠러(76)가 배치된 제7유로(22)와, 제2유로(20)의 제1지점(P3)과 제2지점(P4)에서 상기 제7유로(22)와 연결되는 제8유로(24)로 구성될 수 있다.
이때 상기 제7유로(22)는 칠러(76)를 통해 제9유로(26)와 연결될 수 있고, 상기 제9유로(26)에는 공조장치(80)가 배치될 수 있다.
그리고 상기 제8유로(24)에는 제10유로(28)가 연결될 수 있다. 상기 제10유로(28)는 제8유로(24)의 한 지점에서 분기되어 리저버 탱크(58)와 연결될 수 있다. 상기 제10유로(28)에는 원웨이 밸브(90)가 설치될 수 있다.
상기 원웨이 밸브(90)는 제어부(100)에 의해 개폐 작동되어 제8유로(24)와 리저버 탱크(58) 사이에 냉각수 유동을 제어할 수 있다. 구체적으로 원웨이 밸브(90)는, 전력계 부품(54)과 배터리 시스템(74)을 냉각시키거나 승온시킬 때 폐쇄 작동되고, 냉각수의 주입 시에는 개방 작동된다.
예를 들어, 원웨이 밸브(90)는 열관리 시스템의 냉각수 회로에 냉각수를 재주입할 때 개방 작동된다. 열관리 시스템의 부품 교체 시 상기 냉각수 회로에서 냉각수를 제거하게 되며, 부품 교체 완료 후 상기 냉각수 회로에 냉각수를 재주입한다. 열관리 시스템에 냉각수를 재주입 할 때 원웨이 밸브(90)와 3방 밸브(60)를 개방한 상태에서 워터펌프(52,72)를 구동하고, 냉각수 주입이 완료된 후에는 원웨이 밸브(90)를 닫는다.
한편, 제1유로(10)와 제4유로(40)의 접속 지점에는 상기 3방 밸브(60)가 설치된다. 다시 말해, 제1유로(10)의 제2지점(P2)에는 3방 밸브(60)가 설치된다.
상기 3방 밸브(60)는 제1유로(10)와 제4유로(40)의 접속 지점에서 냉각수 유동방향을 제어하도록 구성된다. 이를 위해 3방 밸브(60)는, 냉각수의 출입을 위한 3개의 포트(61,62,63)를 구비한다. 구체적으로 3방 밸브(60)는, 제5유로(12)와 연통되는 제1포트(61), 제6유로(14)와 연통되는 제2포트(62), 및 제4유로(40)와 연통되는 제3포트(63)를 포함하도록 구성된다. 상기 제1포트(61)와 제2포트(62) 및 제3포트(63)는 개방 시 서로 냉각수 유동이 가능하게 연통된다. 상기 제1포트(61)와 제2포트(62) 및 제3포트(63)는 폐쇄 시 냉각수 출입이 차단된다.
상기 3방 밸브(60)는 차량 내 탑재되어 있는 제어부(100)에 의해 작동 제어될 수 있다. 3방 밸브(60)는, 냉각수 유동을 위해 상기 제1포트(61)와 제2포트(62) 및 제3포트(63) 중 2개 이상의 포트가 개방될 수 있다.
상기 제어부(100)는 열관리 시스템의 전력계 열관리 모드에 따라 3방 밸브(60)의 작동을 제어할 수 있다. 제어부(100)는 전력계 열관리 모드에 따라 3방 밸브(60)의 작동을 제어하여서 상기 제1유로(10)와 제4유로(40)의 접속 지점[즉, 제1유로(10)의 제2지점(P2)]에서 냉각수의 유동방향을 결정할 수 있다.
상기 전력계 열관리 모드는 통합 모드와 분리 모드가 있다. 즉, 상기 전력계 열관리 모드는 통합 모드와 분리 모드로 구분될 수 있다.
첨부한 도 2는 열관리 시스템의 분리 모드에 따른 냉각수 유동을 나타낸 도면이고, 도 3은 열관리 시스템의 통합 모드에 따른 냉각수 유동을 나타낸 도면이다.
열관리 시스템의 냉각수 유동을 분리 모드로 제어하는 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1유로(10)와 제2유로(20)에 개별적으로 냉각수 순환 유동이 발생한다. 구체적으로, 제1유로(10)에는 제1워터펌프(52)에 의한 냉각수 유동이 발생하고, 제2유로(20)에는 제2워터펌프(72)에 의한 냉각수 유동이 발생한다. 이때 제3유로(30)와 제4유로(40)에는 냉각수 유동이 발생하지 않는다.
좀더 말하면, 제1유로(10)에는 제1워터펌프(52) -> 전력계 부품(54) -> 라디에이터(56) -> 리저버 탱크(58) -> 3방 밸브(60) -> 제1워터펌프(52)의 순으로 순환하는 냉각수 유동이 발생할 수 있고, 제2유로(20)에는 제2워터펌프(72) -> 배터리 시스템(74) -> 냉각수 히터(78) -> 칠러(76) -> 제2워터펌프(72)의 순으로 순환하는 냉각수 유동이 발생할 수 있다. 이때 전력계 부품(54)과 배터리 시스템(74)에는 항시 냉각수가 유동된다.
또한 이때, 제2유로(20)의 제1지점(P3)에서 제1유로(10)의 제1지점(P1) 측으로 냉각수 유동이 미발생하고, 제1유로(10)의 제2지점(P2)에서 제2유로(20)의 제2지점(P4) 측으로 냉각수 유동이 차단된다.
이러한 냉각수 유동을 위해, 3방 밸브(60)는 제1포트(61)와 제2포트(62)를 개방하고 제3포트(63)를 폐쇄하도록 작동된다. 즉, 3방 밸브(60)는 제어부(100)에 의해 분리 모드로 제어될 때 제1포트(61)와 제2포트(62)를 개방하고 제3포트(63)를 폐쇄하게 된다. 이때 원웨이 밸브(90)는 제어부(100)에 의해 폐쇄 모드로 작동되어 제10유로(28)의 냉각수 유동을 차단한다.
그리고 상기 열관리 시스템의 냉각수 유동을 통합 모드로 제어하는 경우, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1유로(10)와 제2유로(20)에 하나로 통합된 냉각수 순환 유동이 발생할 수 있다.
구체적으로, 상기 열관리 시스템이 냉각수 통합 모드로 제어되는 경우, 워터펌프(52,72)에 의해 제5유로(12)와 제4유로(40)와 제7유로(22) 및 제3유로(30)의 순으로 순환하는 냉각수 유동이 발생하게 된다. 이때 제6유로(14)에는 냉각수 유동이 차단되어 미발생하고 제8유로(24)에는 냉각수 유동이 발생한다.
좀더 말하면, 상기 열관리 시스템에는, 제1워터펌프(52) -> 전력계 부품(54) -> 라디에이터(56) -> 리저버 탱크(58) -> 3방 밸브(60) -> 제2워터펌프(72) -> 배터리 시스템(74) -> 냉각수 히터(78) -> 칠러(76) -> 제1워터펌프(52)의 순으로 순환하는 냉각수 유동과, 칠러(76)의 후단[즉, 제2유로(20)의 제1지점(P3)]에서 제8유로(24)측으로 분기되는 냉각수 유동이 발생한다.
따라서 상기 열관리 시스템의 일부 냉각수는 제1워터펌프(52) -> 전력계 부품(54) -> 라디에이터(56) -> 리저버 탱크(58) -> 3방 밸브(60) -> 제2워터펌프(72) -> 배터리 시스템(74) -> 냉각수 히터(78) -> 칠러(76) -> 제1워터펌프(52)의 순으로 순환하는 제1 냉각수 유동을 형성하게 되고, 상기 열관리 시스템의 다른 일부 냉각수는 제2워터펌프(72) -> 배터리 시스템(74) -> 냉각수 히터(78) -> 칠러(76) -> 제2워터펌프(72)의 순으로 순환하는 제2 냉각수 유동을 형성하게 된다. 이때 전력계 부품(54)과 배터리 시스템(74)은 라디에이터(56)를 통과하는 상기 제1 냉각수 유동을 기준으로 직렬 연결 상태가 되고, 전력계 부품(54)과 배터리 시스템(74)에는 항시 냉각수가 유동된다. 또한 이때 상기 제2 냉각수 유동에 따른 냉각수는 전력계 부품(54) 및 라디에이터(56)를 통과하지 않게 된다.
이러한 냉각수 유동을 위해, 3방 밸브(60)는 제1포트(61)와 제3포트(63)를 개방하고 제2포트(62)를 폐쇄하도록 작동된다. 즉, 3방 밸브(60)는 제어부(100)에 의해 통합 모드로 제어될 때 제1포트(61)와 제3포트(63)를 개방하고 제2포트(62)를 폐쇄하게 된다. 이에 따라 제2유로(20)의 제1지점(P3)에서 제1유로(10)의 제1지점(P1) 측으로 냉각수 유동이 허용되고, 제1유로(10)의 제2지점(P2)에서 제2유로(20)의 제2지점(P4) 측으로 냉각수 유동이 허용되며, 제2유로(20)의 제1지점(P3)에서 제2유로(20)의 제2지점(P4) 측으로 냉각수 유동이 허용된다. 그리고 이때 원웨이 밸브(90)는 폐쇄 모드로 작동된다.
좀더 말해, 상기 3방 밸브(60)가 통합 모드로 작동 제어될 때, 라디에이터(56)를 통과한 냉각수는 전량이 모두 배터리 시스템(74)을 통과하게 되고, 제2유로(20)의 제1지점(P3)에서 일부 냉각수는 배터리 시스템(74)측으로 흐르게 되고 다른 일부 냉각수는 전력계 부품(54)을 거쳐 라디에이터(56)측으로 흐르게 된다.
따라서 상기 열관리 시스템이 분리 모드로 제어되는 경우, 제1유로(10)에서는 라디에이터(56)를 이용한 전력계 부품(54)의 냉각이 가능하고, 제2유로(20)에서는 칠러(76)를 이용한 배터리 시스템(74)의 냉각이 가능하며, 또한 제2유로(20)에서는 냉각수 히터(78)를 이용한 배터리 시스템(74)의 승온도 가능하다.
그리고 상기 열관리 시스템이 통합 모드로 제어되는 경우, 라디에이터(56)와 칠러(76) 중 적어도 하나를 이용한 전력계 부품(54)과 배터리 시스템(74)의 냉각이 가능하고, 또한 냉각수 히터(78)를 이용한 전력계 부품(54)과 배터리 시스템(74)의 승온도 가능하다.
또한 열관리 시스템이 분리 모드로 제어되는 경우, 제1워터펌프(52)와 제2워터펌프(72)는 제어부(100)에 의해 개별적으로 구동 속도가 제어될 수 있다. 예를 들어, 제1워터펌프(52)와 제2워터펌프(72)는 서로 다른 속도로 구동되거나 또는 서로 같은 속도로 구동될 수 있다.
그리고 상기 열관리 시스템이 통합 모드로 제어되는 경우, 냉각수 유동 경로가 연장됨에 대응하여, 제1워터펌프(52)의 구동 속도(rpm1)는 제2워터펌프(72)의 구동 속도(rpm2)에 기준속도(α)를 더한 속도값(rpm2 + α)으로 제어될 수 있다. 여기서 상기 기준속도(α)는 사전 시험 및 평가 등을 통해 도출된 속도값으로 정해질 수 있다.
한편 상기 원웨이 밸브(90)는 리저버 탱크(58)에 냉각수를 주입할 때 개방 작동되어 상기 제10유로(28)에 냉각수 유동을 허용한다. 상기 리저버 탱크(58)에 냉각수를 주입할 때 리저버 탱크(58)뿐만 아니라 열관리 시스템의 냉각수 유로에도 모두 냉각수가 채워지도록 주입된다. 이에 전력계 부품(54)과 배터리 시스템(74)은 항시 냉각수와 열교환 가능한 접촉 상태를 유지할 수 있게 된다.
이와 같이 구성되는 본 발명의 차량 전력계통의 열관리 시스템은, 1개의 3방 밸브(60)만 사용하고도, 2개의 3방 밸브를 적용한 종래의 열관리 시스템과 마찬가지로 통합 모드 및 분리 모드로 냉각수 유동을 제어할 수 있다.
이에 따라 본 발명의 열관리 시스템은, 종래의 열관리 시스템과 동등 수준의 냉각 성능 및 승온 성능을 확보할 수 있으며, 종래의 열관리 시스템 대비 원가 절감이 가능한 이점이 있다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 또한 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐이므로 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
10 : 제1유로 12 : 제5유로
14 : 제6유로 P1 : 제1유로의 제1지점
P2 : 제1유로의 제2지점 20 : 제2유로
22 : 제7유로 24 : 제8유로
26 : 제9유로 28 : 제10유로
P3 : 제2유로의 제1지점 P4 : 제2유로의 제2지점
30 : 제3유로 40 : 제4유로
52 : 제1워터펌프 54 : 전력계 부품
56 : 라디에이터 58 : 리저버 탱크
60 : 3방 밸브 61 : 제1포트
62 : 제2포트 63 : 제3포트
72 : 제2워터펌프 74 : 배터리 시스템
76 : 칠러 78 : 냉각수 히터
80 : 공조장치 90 : 원웨이 밸브
100 : 제어부

Claims (18)

  1. 냉각수 유동방향의 제1지점과 제2지점을 기준으로 구분가능한 제5유로와 제6유로로 구성되고, 상기 제5유로에 전력계 부품과 라디에이터 및 제1워터펌프가 배치된 제1유로;
    냉각수 유동방향의 제1지점과 제2지점을 기준으로 구분가능한 제7유로와 제8유로로 구성되고, 상기 제7유로에 배터리 시스템과 칠러 및 제2워터펌프가 배치된 제2유로;
    상기 제1유로와 제2유로 간에 냉각수 유동이 가능하도록 상기 제1유로의 제1지점과 상기 제2유로의 제1지점을 연결하는 제3유로;
    상기 제1유로와 제2유로 간에 냉각수 유동이 가능하도록 상기 제1유로의 제2지점과 상기 제2유로의 제2지점을 연결하는 제4유로;
    상기 제1유로와 제4유로의 접속 지점에 설치되어 상기 제1유로와 제4유로의 접속 지점에서 냉각수 유동방향을 제어하는 3방 밸브;
    전력계 열관리 모드에 따라 상기 3방 밸브의 작동을 제어하여서 상기 제1유로와 제4유로의 접속 지점에서 3방 밸브의 냉각수 유동방향을 결정하는 제어부;
    를 포함하는 차량 전력계통의 열관리 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1유로는, 제1워터펌프에 의해 전력계 부품과 라디에이터에 냉각수가 순환할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 차량 전력계통의 열관리 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제5유로에는 냉각수를 저장하기 위한 리저버 탱크가 설치된 것을 특징으로 하는 차량 전력계통의 열관리 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2유로는, 제2워터펌프에 의해 배터리 시스템과 칠러에 냉각수가 순환할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 차량 전력계통의 열관리 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제7유로에는 냉각수를 가열하기 위한 냉각수 히터가 설치된 것을 특징으로 하는 차량 전력계통의 열관리 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제7유로에는 칠러를 통해 제9유로가 연결되고, 상기 제9유로에는 공조장치가 배치된 것을 특징으로 하는 차량 전력계통의 열관리 시스템.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 제8유로에서 분기되어 상기 리저버 탱크와 연결되는 제10유로를 포함하고, 상기 제10유로에는 제8유로와 리저버 탱크 사이에 냉각수 유동을 제어하는 원웨이 밸브가 설치된 것을 특징으로 하는 차량 전력계통의 열관리 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 3방 밸브는, 제5유로와 연통되는 제1포트와, 제6유로와 연통되는 제2포트, 및 제4유로와 연통되는 제3포트를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 전력계통의 열관리 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 전력계 열관리 모드는 통합 모드와 분리 모드로 구분되고, 상기 3방 밸브는 통합 모드로 제어될 때 상기 제1포트와 제3포트를 개방하고 상기 제2포트를 폐쇄하게 된 것을 특징으로 하는 차량 전력계통의 열관리 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1포트와 제3포트가 개방되고 제3포트가 폐쇄될 때, 상기 제2유로의 제1지점에서 제1유로의 제1지점 측으로 냉각수 유동이 허용되고, 상기 제1유로의 제2지점에서 제2유로의 제2지점 측으로 냉각수 유동이 허용되는 것을 특징으로 하는 차량 전력계통의 열관리 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제1포트와 제3포트가 개방되고 제3포트가 폐쇄될 때, 상기 제2유로의 제1지점에서 제8유로 측으로 냉각수 유동이 분기되는 것을 특징으로 하는 차량 전력계통의 열관리 시스템.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 3방 밸브는 분리 모드로 제어될 때 상기 제1포트와 제2포트를 개방하고 상기 제3포트를 폐쇄하게 된 것을 특징으로 하는 차량 전력계통의 열관리 시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 제1포트와 제2포트가 개방되고 상기 제3포트가 폐쇄될 때, 상기 제3유로와 제4유로에 냉각수 유동이 미발생하는 것을 특징으로 하는 차량 전력계통의 열관리 시스템.
  14. 청구항 9에 있어서,
    상기 제어부는, 3방 밸브가 통합 모드로 제어될 때 상기 원웨이 밸브를 폐쇄 작동시켜서 상기 제10유로의 냉각수 유동을 차단하는 것을 특징으로 하는 차량 전력계통의 열관리 시스템.
  15. 청구항 12에 있어서,
    상기 제어부는, 3방 밸브가 분리 모드로 제어될 때 상기 원웨이 밸브를 폐쇄 작동시켜서 상기 제10유로의 냉각수 유동을 차단하는 것을 특징으로 하는 차량 전력계통의 열관리 시스템.
  16. 청구항 7에 있어서,
    상기 제어부는, 리저버 탱크에 냉각수를 주입할 때 상기 원웨이 밸브를 개방 작동시켜서 상기 제10유로의 냉각수 유동을 허용하는 것을 특징으로 하는 차량 전력계통의 열관리 시스템.
  17. 청구항 9에 있어서,
    상기 제어부는, 3방 밸브가 통합 모드로 제어될 때, 상기 제1워터펌프의 속도를 제2워터펌프의 속도에 설정된 기준속도를 더한 속도값으로 제어하는 것을 특징으로 하는 차량 전력계통의 열관리 시스템.
  18. 청구항 12에 있어서,
    상기 제어부는, 3방 밸브가 분리 모드로 제어될 때, 상기 제1워터펌프의 속도와 제2워터펌프의 속도를 개별 제어하는 것을 특징으로 하는 차량 전력계통의 열관리 시스템.
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