KR20220040058A - 친환경 차량의 열관리를 위한 2단 압축 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 친환경 차량의 열관리를 위한 2단 압축 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 메인 컴프레서에 더하여 보조 컴프레서를 포함하여 친환경 차량의 전비를 향상시키도록 구성되는 친환경 차량의 열관리를 위한 2단 압축 시스템에 관한 것이다.

Description

친환경 차량의 열관리를 위한 2단 압축 시스템{TWO-STAGE COMPRESSION SYSTEM FOR THERMALLY MANAGING GREEN VEHICLE}
본 발명은 친환경 차량의 열관리를 위한 2단 압축 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 메인 컴프레서에 더하여 보조 컴프레서를 포함하여 친환경 차량의 전비를 향상시키도록 구성되는 친환경 차량의 열관리를 위한 2단 압축 시스템에 관한 것이다.
순수 전기차 등을 포함하는 친환경 차량에서 주행거리의 증대는 매우 중요하다. 주행거리를 증가시키기 위해서는 구동모터에 전력을 제공하는 고전압 배터리의 용량을 늘려야 하고, 제한적인 패키지 하에서 고전압 배터리의 용량을 증가시키려면 고전압 배터리의 밀도를 높여야 한다. 이때 고전압 배터리의 발열량도 높아지게 되므로 고전압 배터리의 냉각을 위한 적절한 냉각시스템이 요구된다.
도 1을 참조하면, 현재 친환경 차량의 고전압 배터리 냉각은 냉매를 이용하여 이루어지고 있다. 특히, 고전압 배터리의 급속 충전 시 발열량이 매우 크므로 냉매를 이용한 냉각이 필수적이라고 할 수 있다.
배터리 냉각회로(1)에서 고전압 배터리(11)가 냉각된다. 배터리 냉각회로(1)에서는 전동식 워터 펌프(Electric Water Pump, EWP)를 통해 냉각수가 순환하며, 냉각수는 배터리 칠러(21)에서 온도를 낮추고 고전압 배터리(11)를 냉각한다.
냉매 냉각회로(3)에서는 냉매가 순환하며 압축기(13)를 통해 고온고압의 냉매가 컨덴서(23)에서 응축되고 제1 팽창밸브(33) 및 제2 팽창밸브(43)를 통해 배터리 칠러(21) 및 증발기(53)를 순환하게 된다. 제1 팽창밸브(33)를 통해 배터리 칠러(21)로 지향된 냉매는 배터리 냉각회로(1)의 냉각수를 냉각한다.
또한, 고전압 배터리(11)는 낮은 온도에 노출되는 경우 내구성에 악영향을 받으므로 고전압 배터리(11)의 온도를 높일 수 있는 PTC(Positive Temperature Coefficient) 히터(5)가 구비된다.
즉, 친환경 차량에는 고전압 배터리의 온도 제어를 위하여 냉각과 난방을 모두 가능하게 하는 열관리 시스템이 적용 중에 있다.
현재 고전압 배터리의 열관리 시스템에 있어서 배터리 칠러(21)의 온도를 정확하게 조절하는 것은 불가능하다. 제1 팽창밸브(33)가 유량 제어를 하고 있지만 이는 압축기 입구 측에서 냉매의 과열도를 제어하기 위함이지 배터리 칠러(21) 온도를 정확하게 제어하기 위함이 아니다. 결국 고전압 배터리의 요구 온도에 맞추어 배터리 칠러의 온도가 제어되는 것이 아니므로 필요 이상의 냉방이 이루어지는 경우가 빈번하고, 이는 압축기 동력 소모량을 상승시키며 전비 악화로 이어진다.
또한, 고전압 배터리의 난방에 사용되는 PTC 히터의 경우 효율이 매우 낮아서 전비는 더욱 악화된다. 전기차에서 실내 난방에 PTC 히터 대신 히트 펌프를 적용하는 이유는 PTC 히터의 효율이 매우 낮기 때문이다.
따라서, 고전압 배터리 열관리 시 전비를 향상시킬 수 있는 방안에 대한 고안이 필요하다.
공개특허공보 제10-2019-0021506호 (공개일자: 2019.03.06)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서,
차량의 고전압 배터리 냉각 또는 난방 시 전비를 향상시킬 수 있는 친환경 차량의 열관리를 위한 2단 압축 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
냉각 시 고전압 배터리의 요구 온도에 따라 배터리 칠러의 온도를 보다 정확하게 제어할 수 있는 친환경 차량의 열관리를 위한 2단 압축 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자(이하 '통상의 기술자')에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하고, 후술하는 본 발명의 특징적인 기능을 수행하기 위한, 본 발명의 특징은 다음과 같다.
본 발명의 일부 실시형태에 따른 2단 압축 시스템은, 냉매가 순환하는 냉매순환회로를 포함하고, 상기 냉매순환회로는, 냉매를 압축하기 위한 메인 컴프레서; 상기 메인 컴프레서에서 압축된 냉매를 응축하기 위한 컨덴서; 상기 컨덴서의 출구 측에 형성되는 제1 팽창밸브; 상기 제1 팽창밸브의 출구 측과 제1 유로에 의해 연결되는 3-방향 밸브; 상기 3-방향 밸브로부터 각각 분기되는 제2 유로 및 제3 유로; 상기 제2 유로와 연결되고, 고전압 배터리를 냉각하도록 구성되는 배터리 칠러; 상기 제3 유로에 배치되는 제2 팽창밸브; 상기 제2 팽창밸브 출구 측에 배치되는 증발기; 및 상기 증발기의 출구 측에 배치되고, 출구 측이 상기 메인 컴프레서의 입구 측과 연결되며 냉매를 압축하기 위한 보조 컴프레서; 및 상기 보조 컴프레서의 출구 측과 메인 컴프레서의 입구 측 사이에는 상기 배터리 칠러를 통과한 냉매가 합류하는 지점;을 포함한다.
본 발명의 일부 실시형태에 따른 2단 압축 시스템은, 냉매가 순환하는 냉매순환회로를 포함하고, 상기 냉매순환회로는, 냉매를 압축하기 위한 메인 컴프레서; 상기 메인 컴프레서에서 압축된 냉매를 응축하기 위한 컨덴서; 상기 컨덴서의 출구 측에 형성되는 제1 팽창밸브; 상기 제1 팽창밸브 출구 측에 배치되는 증발기; 상기 증발기 및 컴프레서 사이에 배치되는 보조 컴프레서; 상기 제1 팽창밸브의 입구 측에서 분기되고 상기 보조 컴프레서 및 컴프레서 사이에 형성되는 합류 지점에서 합류되는 분기유로; 상기 분기유로에 배치되는 제2 팽창밸브; 및 상기 제2 팽창밸브 및 합류 지점 사이에 배치되고 고전압 배터리를 냉각하도록 구성되는 배터리 칠러;를 포함한다.
본 발명에 따르면, 보조 컴프레서 및 3-방향 밸브를 포함함으로써 차량의 고전압 배터리 냉각 또는 난방 시 전비를 향상시킬 수 있는 친환경 차량의 열관리를 위한 2단 압축 시스템이 제공된다.
본 발명의 효과는 전술한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 인식될 수 있을 것이다.
도 1은 친환경 차량의 열관리 회로를 도시하고,
도 2는 본 발명에 따른 친환경 차량의 열관리 회로를 도시하고,
도 3은 증발기와 고전압 배터리의 작동온도/압력 범위를 도시하고,
도 4 및 5는 본 발명의 실시예에 따른 2단 압축 시스템의 제1 입력 조건하에서의 작동을 도시하고,
도 6a 내지 6d는 도 4의 경우의 몰리에르 선도를 도시하고,
도 7 및 8은 본 발명의 실시예에 따른 2단 압축 시스템의 제2 입력 조건하에서의 작동을 도시하고,
도 9a 내지 9d는 도 7의 경우의 몰리에르 선도를 도시하고,
도 10 및 11은 본 발명의 실시예에 따른 2단 압축 시스템의 제3 입력 조건하에서의 작동을 도시하고,
도 12는 도 10의 경우의 몰리에르 선도를 도시하고,
도 13 및 14는 본 발명의 실시예에 따른 2단 압축 시스템의 제4 입력 조건 하에서의 작동을 도시하고,
도 15a 내지 15c는 도 13의 경우의 몰리에르 선도를 도시하고,
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 2단 압축 시스템을 위한 냉매순환회로를 도시한다.
발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.
어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 또는 "직접 접촉되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는"등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.
명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급되지 않는 한 복수형도 포함된다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 친환경 차량의 열관리를 위한 2단 압축 시스템은 냉매가 유동하는 냉매순환회로(2)를 포함한다. 본 발명의 구현예에 따르면, 냉매순환회로(2)는 메인 컴프레서(10), 컨덴서(20), 제1 팽창밸브(30), 3-방향 밸브(40), 배터리 칠러(50), 증발기(60), 제2 팽창밸브(70) 및 보조 컴프레서(80)를 포함한다.
메인 컴프레서(10)는 앞서 압축기(13)와 마찬가지로 냉매를 고온, 고압으로 압축하고, 냉매는 컨덴서(20)에서 응축된다. 응축된 냉매는 제1 팽창밸브(30)로 유동한다.
제1 팽창밸브(30)의 출구 측에는 3-방향 밸브(40)가 배치된다. 3-방향 밸브(40)는 제1 유로(140), 제2 유로(240) 및/또는 제3 유로(340)를 형성할 수 있다. 제1 유로(140)는 제1 팽창밸브(30)의 출구로부터 3-방향 밸브(40) 사이의 흐름을, 제2 유로(240)는 3-방향 밸브(40)로부터 배터리 칠러(50) 로의 흐름을, 제3 유로(340)는 3-방향 밸브(40)로부터 증발기(60)로의 흐름을 가능하게 한다. 즉, 제2 유로(240)는 3-방향 밸브(40)로 유입된 냉매를 배터리 칠러(50)로 지향시키고, 제3 유로(340)는 3-방향 밸브(40)로 유입된 냉매를 증발기(60)로 지향시킨다. 또한, 제2 유로(240)는 역방향의 흐름이 가능하다. 즉, 배터리 칠러(50) 측으로부터 3-방향 밸브(40)로의 흐름이 가능하다. 한편, 제3 유로(340)에는 제2 팽창밸브(70)가 배치되고, 특히, 3-방향 밸브(40)와 증발기(60) 사이에 제2 팽창밸브(70)가 배치된다.
보조 컴프레서(80)는 증발기(60)의 출구 측에 배치된다. 또한, 보조 컴프레서(80)는 증발기(60)의 출구와 메인 컴프레서(10)의 입구 사이에 배치된다. 보조 컴프레서(80)와 메인 컴프레서(10)의 사이에는 배터리 칠러(50)를 통과한 냉매가 합류하는 지점(J1)이 형성된다.
한편, 배터리 칠러(50)는 배터리 냉각회로(1)를 순환하는 냉각수와 열교환관계에 놓인다. 배터리 칠러(50)에 의해 냉각된 냉각수는 고전압 배터리(11)를 냉각하는 기능을 수행한다.
본 발명에 따르면 보조 컴프레서(80)를 포함하고 보조 컴프레서(80)의 회전수를 제어가능하게 구성함으로써, 고전압 배터리(11)의 냉각 시에 배터리 칠러(50)의 압력 및 온도 제어를 가능하게 하고 고전압 배터리(11)의 난방 시에는 보조 컴프레서(80)만을 구동시켜 히트 펌프 모드로 작동가능하게 구성한다. 전자의 경우에는 고전압 배터리(11)가 요구하는 온도를 실질적으로 정확하게 맞추어 메인 컴프레서(10)의 소모 동력을 감소시키고 전비를 향상시킬 수 있다. 후자의 경우에는 PCT 히터의 작동율을 낮출 수 있으므로 이 또한 전비 향상에 기여할 수 있다.
친환경 차량에서 증발기(60)와 고전압 배터리(11)의 작동 조건은 서로 상이하다. 즉, 증발기(60)의 작동온도 및 작동압력은 고전압 배터리(11)의 작동온도 및 작동압력과 서로 다르다. 도 3을 참조하면, 비제한적인 예로서, 증발기(60)의 경우에는 작동온도 범위가 대략 섭씨 2도에서 10도이며 작동압력 범위는 대략 315kPa 내지는 415kPa이다. 반면, 고전압 배터리(11)의 경우에는 작동온도 범위가 대략 섭씨 25도 내지 40도이며, 작동압력은 대략 665kPa 내지는 1,015kPa이다. 본 발명은, 고전압 배터리(11)의 작동온도 및 작동압력 범위에 맞게 보조 컴프레서(80)를 이용하여 배터리 칠러(50)의 작동온도와 작동압력을 조절할 수 있도록 구성된다. 따라서, 고전압 배터리(11)의 요구 온도에 맞도록 보조 컴프레서(80)의 회전수를 제어하여 배터리 칠러(50)의 작동온도와 작동압력을 제어할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 보조 컴프레서(80)를 포함함으로써 메인 컴프레서(10)의 용량을 줄일 수 있다. 메인 컴프레서(10)의 입구 측 압력을 상승시킴에 따라 입구 측 냉매 밀도가 상승하는데, 이는 동일한 컴프레서 용량 하에 더 큰 질량 유량(mass flow)이 흐르게 되는 것을 의미한다. 결국 더 큰 질량 유량이 흐를 수 있기 때문에 메인 컴프레서(10)의 용량을 줄일 수 있다.
본 발명에 따른 2단 압축 시스템은 전체 시스템을 제어하는 제어부(미도시)를 더 포함한다. 특히, 제어부는 입력 조건에 따라 3-방향 밸브(40)의 개폐를 제어하고, 제1 내지 제3 유로(140, 240, 340)의 개방 또는 차단을 지시하고, 메인 컴프레서(10) 및 보조 컴프레서(80)의 동작을 제어한다. 입력 조건은 차실 냉방 온(ON) 또는 오프(OFF) 여부, 고전압 배터리 냉각 온 또는 오프 여부 및 고전압 배터리 난방 온 또는 오프 여부를 포함한다.
먼저, 차실 냉방이 온 상태이고 동시에 배터리 냉각이 온 상태(이하 제1 입력조건)인 경우, 제어부는 3-방향 밸브(40)의 제1 내지 제3 유로(140, 240, 340)을 모두 개방하여 냉매가 제1 유로(140), 제2 유로(240) 및 제3 유로(340)로 모두 유동할 수 있게 한다. 따라서 흐름은 도 5에 도시된 바와 같이 화살표 방향을 따라 이루어진다.
다음 제어부는 고전압 배터리(11)의 요구 온도를 확인한다. 고전압 배터리(11)의 요구 온도에 기초하여 메인 컴프레서(10)을 미리 설정된 회전수(RPM)로 회전시킨다. 제1 유로(140)를 통해 제2 유로(240)를 흐르는 냉매의 압력을 제1 팽창밸브(30)의 유량 제어를 통해 고전압 배터리(11)의 요구 온도에 상응하는 작동압력으로 감소시키고, 냉매를 배터리 칠러(50)로 지향되도록 한다. 또한, 제1 유로(140)를 통해 제3 유로(340)를 흐르는 냉매의 압력을 제2 팽창밸브(30)를 통해서 증발기(60)의 작동압력에 맞게 팽창시키고 냉매를 증발기(60)로 향하게 한다. 또한, 제어부는 보조 컴프레서(80)를 미리 설정된 회전수(RPM)로 회전시켜 증발기(60)를 통과한 냉매의 압력을 증가시키고 지점(J1)에서 배터리 칠러(50)를 통과한 냉매와 합류하도록 한다.
제어부는 고전압 배터리(11)의 요구온도가 증가할수록 메인 컴프레서(10)의 회전수는 감소시키고 보조 컴프레서(80)의 회전수를 증가시킨다.
이와 같은 2단 압축시스템의 경우, 상술한 바와 같이 메인 컴프레서(10)의 입구 측 압력이 기존 시스템 대비 증가하여 질량유량이 증가함에 따라 메인 컴프레서(10)의 용량이나 회전수의 축소가 가능하다는 이점이 있다.
차실 냉방이 오프 상태이고 고전압 배터리의 냉각이 온 상태(이하 제2 입력조건)인 경우, 제어부는 3-방향 밸브(40)의 제1 유로(140) 및 제2 유로(240)는 개방하고 제3 유로(340)는 폐쇄되도록 3-방향 밸브(40)를 제어한다. 흐름은 도 8에 도시된 바와 같으며 차실 냉방이 오프 상태이므로 제3 유로(340)를 통한 흐름은 차단되고 보조 컴프레서(80)를 오프 제어한다.
그리고 제어부는 고전압 배터리(11)의 요구 온도를 확인한다. 고전압 배터리(11)의 요구 온도에 기초하여 메인 컴프레서(10)를 미리 설정된 회전수(RPM)로 작동시키고, 제1 팽창밸브(30)를 통해 냉매의 압력을 고전압 배터리(11)의 요구 온도에 상응하는 압력로 감소시키고 배터리 칠러(50)로 지향시킨다.
차실 냉방이 온 상태이고 고전압 배터리의 냉각이 오프 상태(이하 제3 입력조건)인 경우, 제어부는 3-방향 밸브(40)의 제1 유로(140) 및 제3 유로(340)는 개방하고, 제2 유로(240)는 폐쇄한다.
고전압 배터리의 냉각이 오프 상태이므로 제어부는 고전압 배터리(11)의 요구 온도를 확인할 필요 없이 기본 온도 제어를 실시하며, 메인 컴프레서(10) 및 보조 컴프레서(80)를 미리 설정된 회전수로 작동시킨다.
고전압 배터리의 난방 상태(이하 제4 입력조건)인 경우, 제어부는 제1 유로(140)는 차단하고, 제2 유로(240) 및 제3 유로(340)는 개방하되 냉매의 흐름이 제2 유로(240)에서 제3 유로(340)로 향하게 한다.
제어부는 고전압 배터리(11)의 요구온도를 수신하고 이에 기초하여 각 구성을 제어한다. 메인 컴프레서(10)는 오프 제어하고, 고전압 배터리(11)의 요구온도에 상응하는 압력을 연산한다. 제어부는 보조 컴프레서(80)를 미리 설정된 회전수로 회전시켜 배터리 칠러(80)에 고전압 배터리(11)의 요구온도에 상응하는 압력이 입력되도록 제어한다.
특히, 제4 입력조건에 의한 배터리 난방모드 시 기존에 PTC 히터를 이용하여 에너지 효율이 매우 낮았으나 본 발명과 같이 히트펌프를 이용함에 따라 에너지 효율이 급격히 상승하므로 전비 개선의 효과가 매우 크다.
본 발명의 2단 압축 시스템이 작동하는 전술한 네 가지 입력조건 하에서의 작동을 비제한적인 예로서 설명하기로 한다.
아래에서 설명되는 제1 온도 내지 제8 온도는 순차적으로 증가한다. 즉, 제1 온도보다 제2 온도가 크고, 제2 온도보다 제8 온도가 크다. 또한, 제1 압력 내지 제7 압력은 순차적으로 증가한다. 즉, 제1 압력에서 제7 압력으로 갈수록 압력이 증가한다. 메인 컴프레서(10)의 회전수 M1 내지 M7은 점차 감소한다. 즉, M1에서 M7로 갈수록 회전수가 작아지는 것을 의미한다. 보조 컴프레서(80)의 회전수 A1 내지 A7은 점차 증가한다. 즉, A1에서 A7으로 갈수록 회전수가 증가한다.
표 1에는 비제한적인 예로서 고전압 배터리(11)의 요구 온도 및 그에 상응하는 작동 압력, 메인 컴프레서(10)의 회전수, 보조 컴프레서(80)의 회전수가 제시되어 있다. 제1 온도 내지 제4 온도에서는 배터리 냉각이 수행되고, 제5 온도 내지 제8 온도에서는 배터리 난방이 수행된다.
고전압 배터리(11)의 요구 온도 (℃) 작동압력
(kPa)		 메인 컴프레서(10) 회전수 (RPM) 보조 컴프레서(80) 회전수(RPM)
제1 온도 20 제1 압력 571 M1 5000 A1 2000
제2 온도 25 제2 압력 665 M2 4500 A2 2500
제3 온도 30 제3 압력 770 M3 4000 A3 3000
제4 온도 35 제4 압력 886 M4 3500 A4 3500
제5 온도 40 제5 압력 1015 M5 3000 A5 4000
제6 온도 45 제6 압력 1159 M6 2500 A6 4500
제7 온도 50 제7 압력 1317 M7 2000 A7 5000
제8 온도 55
제1 입력조건: 차실 냉방 ON 및 고전압 배터리 냉각 ON
도 4를 참조하면, 제1 입력조건은 차실 냉방이 온 상태이면서 고전압 배터리 냉각이 온 상태인 경우이다. 제어부는 제1 입력조건을 수신하면(S2), 제1 유로(140), 제2 유로(240) 및 제3 유로(340) 모두를 개방하도록 3-방향 밸브(40)를 제어한다(S12). 따라서, 냉매의 흐름은 도 5에 도시된 바와 같이 화살표를 따라 이루어진다.
다음 제어부는 고전압 배터리(11)의 요구 온도를 입력받는다(S22, S24, S26, S28). 제어부는 고전압 배터리(11)의 요구 온도에 기초하여 배터리 칠러(50)의 작동압력, 메인 컴프레서(10) 및 보조 컴프레서(80)의 회전수를 연산하고 해당하는 값으로 동작하도록 제어한다(S122 내지 S130).
예를 들어, 배터리(11)의 요구 온도가 제1 온도(20℃)이하인 경우, 제어부는 메인 컴프레서(10)의 회전수를 M1(5,000rpm)으로 설정하고, 제1 팽창밸브(30)를 통해 팽창된 제1 압력(571kPa)의 냉매가 배터리 칠러(50)로 유동하고 제2 팽창밸브(70)를 통해 보다 낮은 압력을 갖는 냉매가 증발기(60)로 지향되도록 제어한다. 지점(J1)의 전단에 배치되는 보조 컴프레서(80)는 A1(2,000rpm)의 회전수로 증발기(60) 측 냉매의 압력을 높여 배터리 칠러(50) 측 냉매와의 압력 차가 보완된다.
도 6a 내지 6d는 몰리에르 선도로서, 각각, 도 6a는 도 4의 S124, 도 6b는 도 4의 S126, 도 6c는 도 4의 S128, 도 6d는 도 4의 S130을 가리키고 있다.
한편, 배터리(11)의 요구 온도가 제5 온도이상인 경우에는 제4 입력조건에 따른 제어를 수행하도록 한다(S122).
제2 입력조건: 차실 냉방 OFF 및 고전압 배터리 냉각 ON
도 7 및 8을 참조하면, 제어부는 차실 냉방이 오프 상태이고 동시에 고전압 배터리(11) 냉각이 온 상태인 경우(S4)에는 제1 유로(140) 및 제2 유로(240)는 개방하고 제3 유로(340)는 폐쇄되도록 3-방향 밸브(40)를 제어한다(S14). 회로의 흐름은 도 8에 도시된 화살표로 표시된다.
다음 제어부는 고전압 배터리(11)의 요구 온도를 입력받는다(S42, S44, S46, S48). 제어부는 고전압 배터리(11)의 요구 온도에 기초하여 배터리 칠러(50)의 작동압력, 메인 컴프레서(10) 및 보조 컴프레서(80)의 회전수를 연산하고 해당하는 값으로 동작하도록 제어한다(S142 내지 S150).
예를 들어, 배터리(11)의 요구 온도가 제1 온도(20℃)이하인 경우, 제어부는 메인 컴프레서(10)의 회전수를 M1(5,000rpm)으로 설정하고, 제1 팽창밸브(30)를 통해 팽창된 제1 압력(571kPa)의 냉매가 배터리 칠러(50)로 유동하도록 제어한다.
도 9a 내지 9d는 몰리에르 선도로서, 각각, 도 9a는 도 7의 S144, 도 9b는 도 7의 S146, 도 9c는 도 7의 S148, 도 9d는 도 7의 S150을 가리키고 있다.
제3 입력조건: 차실 냉방 ON 및 고전압 배터리 냉각 OFF
도 10 내지 12를 참조하면, 제어부는 차실 냉방이 온 상태이고 동시에 고전압 배터리(11) 냉각은 오프 상태인 경우(S6) 제1 유로(140) 및 제3 유로(340)를 개방하고 제2 유로(240)는 차단되도록 3-방향 밸브(40)를 제어한다(S16). 도 11에는 제3 입력조건 하에서의 냉매순환회로(2)의 흐름이 화살표로 표시되어 있다.
제어부는 차량의 기본적인 온도 제어에 따라 메인 컴프레서(10)의 회전수를 미리 설정된 회전수(M1)로 설정하고, 보조 컴프레서(80)의 회전수는 미리 설정된 회전수(M2)로 설정한다(S26).
도 12에는 제3 입력조건 하에 해당하는 몰리에르 선도가 도시되어 있다.
제4 입력조건: 고전압 배터리 난방
제어부는 고전압 배터리(11)의 난방이 필요한 경우(S8), 제1 유로(140)는 폐쇄되고 제2 유로(240) 및 제3 유로(340)는 개방되도록 3-방향 밸브(40)를 제어한다(S18).
그리고 제어부는 고전압 배터리(11)의 요구 온도를 입력받는다(S82, S84, S86, S88). 제어부는 고전압 배터리(11)의 요구 온도에 기초하여 고전압 배터리(11)의 요구 온도에 상응하는 압력, 메인 컴프레서(10) 및 보조 컴프레서(80)의 회전수를 연산하고 해당하는 값으로 동작하도록 제어한다(S182 내지 S188).
예를 들어, 배터리(11)의 요구 온도가 제6 온도(45℃)미만인 경우, 제어부는 메인 컴프레서(10)를 오프 제어하고 보조 컴프레서(80)를 미리 설정된 회전수인 A5(4,000rpm)로 회전시켜 고전압 배터리(11)의 요구 온도에 상응하는 제5 압력(1,015kPa)의 냉매가 배터리 칠러(50)를 통과하도록 한다.
도 15a 내지 15c는 몰리에르 선도로서, 각각, 도 15a는 도 13의 S184, 도 15b는 도 13의 S186, 도 15c는 도 13의 S188을 가리키고 있다.
이와 같은 본 발명에 따르면, 고전압 배터리의 요구 온도에 따라 하나의 구성요소인 배터리 칠러(50)를 이용하여 냉각과 난방이 동시에 가능하다.
또한, 본 발명에 따르면 배터리의 냉각 시 메인 컴프레서의 동력 손실의 최소화가 가능하고, 난방 시에는 에너지 효율을 극대화할 수 있다.
또한 본 발명은 2단의 압축 시스템을 통해서 메인 컴프레서의 용량 또는 회전수의 축소를 가능하게 할 수 있다.
도 16에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 3-방향 밸브(40) 대신에 볼 밸브(ball valve) 타입의 제1 및 제2 팽창밸브(100, 200)를 적용하여 전술한 네 가지 입력조건에 따른 제어가 수행될 수 있다. 볼 밸브 타입의 팽창밸브(100, 200)는 풀 오픈(full open) 내지는 패스(pass) 기능이 있는 유형을 말한다. 특히, 전술한 제4 입력조건 하에서 제2 팽창밸브(200)는 풀 오픈 가능하도록 구성된다.
본 실시예에 따르면, 냉매순환회로(2')가 구성되고(즉, 3-방향 밸브(40) 삭제 및 팽창밸브(100, 200)의 풀 오픈 기능, 특히, 제2 팽창밸브(200)는 풀 오픈 기능을 구비), 제1 팽창밸브(100)의 입구 측에서 분기되고 지점(J1)에서 합류하는 분기유로(300) 상에 제2 팽창밸브(200)가 배치되는 점을 제외하고는 다른 구성요소는 동일하게 유지되며 위에서 설명한 바와 같은 동일한 제어 로직이 적용될 수 있다.
상기 제1 입력조건 하에서는 제1 및 제2 팽창밸브(100, 200)를 통해 모두 냉매가 유동하고, 상기 제2 입력조건 하에서는 제2 팽창밸브(200)를 통해서만 냉매가 유동하도록 제어된다. 상기 제3 입력조건 하에서는 제1 팽창밸브(100)를 통해서만 냉매가 유동하고, 제4 입력조건 하에서는 풀 오픈 기능이 있는 제2 팽창밸브(200)를 통해서는 배터리 칠러(50)를 통과한 냉매가 압력 하강 없이 그대로 패스하고 제1 팽창밸브(100)를 지나면서 압력이 낮아지도록 제어된다. 그 외 상기한 제어 로직의 적용에 관하여는 통상의 기술자라면 본 명세서의 내용에 비추어 쉽게 파악이 가능할 것이므로 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
볼 밸브 타입의 팽창밸브가 적용되는 경우, 3-방향 밸브의 삭제가 가능하므로 원가 절감을 실현할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
2: 냉매순환회로 10: 메인 컴프레서
20: 컨덴서 30: 제1 팽창밸브
40: 3-방향 밸브 50: 배터리 칠러
60: 증발기 70: 제2 팽창밸브
80: 보조 컴프레서 140: 제1 유로
240: 제2 유로 340: 제3 유로
J1: 지점

Claims (15)

  1. 냉매가 순환하는 냉매순환회로를 포함하고, 상기 냉매순환회로는,
    냉매를 압축하기 위한 메인 컴프레서;
    상기 메인 컴프레서에서 압축된 냉매를 응축하기 위한 컨덴서;
    상기 컨덴서의 출구 측에 형성되는 제1 팽창밸브;
    상기 제1 팽창밸브의 출구 측과 제1 유로에 의해 연결되는 3-방향 밸브;
    상기 3-방향 밸브로부터 각각 분기되는 제2 유로 및 제3 유로;
    상기 제2 유로와 연결되고, 고전압 배터리를 냉각하도록 구성되는 배터리 칠러;
    상기 제3 유로에 배치되는 제2 팽창밸브;
    상기 제2 팽창밸브 출구 측에 배치되는 증발기; 및
    상기 증발기의 출구 측에 배치되고, 출구 측이 상기 메인 컴프레서의 입구 측과 연결되며 냉매를 압축하기 위한 보조 컴프레서; 및
    상기 보조 컴프레서의 출구 측과 메인 컴프레서의 입구 측 사이에는 상기 배터리 칠러를 통과한 냉매가 합류하는 지점;
    을 포함하는 것인 친환경 차량의 열관리를 위한 2단 압축 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 냉매순환회로를 제어하도록 구성되는 제어부;
    를 더 포함하는 것인 친환경 차량의 열관리를 위한 2단 압축 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 고전압 배터리의 냉각 요청 또는 난방 요청에 기초하여 상기 3-방향 밸브를 제어하도록 구성되는 것인 2단 압축 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 고전압 배터리의 냉각 요청 또는 난방 요청 및 차실 내 냉방 여부에 기초하여 3-방향 밸브를 제어하도록 구성되는 것인 2단 압축 시스템.
  5. 청구항 2에 있어서, 상기 제어부는, 상기 고전압 배터리의 난방 요청에 응답하여:
    - 상기 메인 컴프레서를 오프 제어하고,
    - 상기 제2 유로 및 제3 유로가 개방되도록 상기 3-방향 밸브를 제어하고,
    - 상기 보조 컴프레서를 미리 설정된 회전수로 구동시키도록 구성되는 것인 2단 압축 시스템.
  6. 청구항 3에 있어서, 상기 제어부는, 상기 고전압 배터리의 냉각 요청에 응답하여:
    - 상기 제1 유로 및 제2 유로는 개방되고 제3 유로는 폐쇄되도록 3-방향 밸브를 제어하고,
    - 상기 메인 컴프레서는 미리 설정된 회전수로 회전시키고,
    - 상기 보조 컴프레서는 오프 제어하도록 구성되는 것인 2단 압축 시스템.
  7. 청구항 4에 있어서, 상기 차실 내 냉방 요청 및 고전압 배터리의 냉각 요청에 응답하여:
    - 상기 제1 유로, 제2 유로 및 제3 유로를 모두 개방하고,
    - 상기 메인 컴프레서를 미리 설정된 회전수로 회전시키고,
    - 상기 보조 컴프레서를 미리 설정된 회전수로 회전시키도록 구성되는 것인 2단 압축 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 보조 컴프레서의 회전수는 상기 메인 컴프레서의 회전수보다 작은 것인 2단 압축 시스템.
  9. 청구항 5에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 고전압 배터리 난방 요청에 따른 고전압 배터리의 요구온도에 기초하여 상기 보조 컴프레서의 회전수를 변화시키는 것인 2단 압축 시스템.
  10. 청구항 6에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 고전압 배터리의 냉각 요청에 따른 고전압 배터리의 요구온도에 기초하여 상기 메인 컴프레서의 회전수를 변화시키는 것인 2단 압축 시스템.
  11. 청구항 7에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 고전압 배터리의 냉각 요청에 따른 고전압 배터리의 요구온도에 기초하여 상기 메인 컴프레서 및 보조 컴프레서의 회전수를 변화시키는 것인 2단 압축 시스템.
  12. 청구항 7에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 고전압 배터리의 냉각 요청에 따른 고전압 배터리의 요구온도에 기초하여 상기 제1 팽창밸브를 통과하는 냉매가 미리 설정된 제1 압력이 되도록 제1 팽창밸브를 제어하도록 구성되는 것인 2단 압축 시스템.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 고전압 배터리의 냉각 요청에 따른 고전압 배터리의 요구온도에 기초하여 상기 제2 팽창밸브를 통과하는 냉매가 상기 제1 압력보다 낮은 압력이 되도록 제2 팽창밸브를 제어하는 것인 2단 압축 시스템.
  14. 청구항 6에 있어서, 차실 내 냉방은 오프 상태인 것인 2단 압축 시스템.
  15. 냉매가 순환하는 냉매순환회로를 포함하고, 상기 냉매순환회로는,
    냉매를 압축하기 위한 메인 컴프레서;
    상기 메인 컴프레서에서 압축된 냉매를 응축하기 위한 컨덴서;
    상기 컨덴서의 출구 측에 형성되는 제1 팽창밸브;
    상기 제1 팽창밸브 출구 측에 배치되는 증발기;
    상기 증발기 및 컴프레서 사이에 배치되는 보조 컴프레서;
    상기 제1 팽창밸브의 입구 측에서 분기되고 상기 보조 컴프레서 및 컴프레서 사이에 형성되는 합류 지점에서 합류되는 분기유로;
    상기 분기유로에 배치되는 제2 팽창밸브; 및
    상기 제2 팽창밸브 및 합류 지점 사이에 배치되고 고전압 배터리를 냉각하도록 구성되는 배터리 칠러;
    를 포함하는 것인 친환경 차량의 열관리를 위한 2단 압축 시스템.
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