KR20220045288A

KR20220045288A - 전기자동차의 열관리 시스템

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Publication number: KR20220045288A
Application number: KR1020200127809A
Authority: KR
Inventors: 정성빈; 조완제; 정재은; 김태희; 박남호
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아 주식회사
Priority date: 2020-10-05
Filing date: 2020-10-05
Publication date: 2022-04-12

Abstract

본 발명은 전기자동차의 열관리 시스템에 관한 것으로서, 외기온이 높은 지역에서 라디에이터의 냉각 효율이 크게 개선될 수 있는 전기자동차의 열관리 시스템을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 압축기, 외부 응축기, 제1 팽창밸브, 증발기를 포함하는 에어컨 시스템, 및 라디에이터와 전동식 워터펌프를 포함하고 냉각수를 이용하여 전력전자 부품을 냉각하는 수냉식 냉각 시스템을 포함하는 전기자동차의 열관리 시스템에 있어서, 상기 수냉식 냉각 시스템은, 전력전자 부품 중 제1 부품을 냉각하기 위해 제1 라디에이터를 포함하여 구성되는 제1 냉각 회로, 및 상기 전력전자 부품 중 나머지 부품을 냉각하기 위해 제2 라디에이터를 포함하여 구성되는 제2 냉각 회로를 포함하고, 상기 제2 냉각 회로에서 냉각수가 순환하는 냉각수 라인에는, 각각 상기 제2 라디에이터의 전단측 냉각수 라인과 후단측 냉각수 라인을 서로 연결하는 제2 바이패스 라인과 제3 바이패스 라인이 설치되며, 상기 제2 냉각 회로의 냉각수 라인에서 상기 제2 바이패스 라인과 제3 바이패스 라인이 분기되는 각 분기점에는 3-웨이 밸브인 제4 밸브와 제5 밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 열관리 시스템이 개시된다.

Description

전기자동차의 열관리 시스템{Thermal management system for electric vehicle}

본 발명은 전기자동차의 열관리 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 외기온이 높은 지역에서 라디에이터의 냉각 효율이 크게 개선될 수 있는 전기자동차의 열관리 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 자동차에는 실내를 난방하거나 냉방하는 공기조화장치가 탑재된다. 자동차에서 공기조화장치는 외부 온도의 변화에 관계없이 차량 실내 온도를 항상 적정 온도로 유지해줌으로써 쾌적한 실내 환경을 제공한다.

자동차용 공기조화장치는 냉매를 순환시키는 에어컨 시스템을 포함한다. 에어컨 시스템은 냉매를 압축하는 압축기, 압축기에서 압축된 냉매를 응축하여 액화시키는 응축기, 응축기에서 응축되어 액화된 냉매를 팽창시키는 팽창밸브, 그리고 팽창밸브에서 팽창된 냉매를 증발시키면서 냉매의 증발 잠열을 이용하여 차량 실내로 송풍되는 공기를 냉각하는 증발기 등을 주요한 구성요소로 포함한다.

에어컨 시스템에서는 여름철 냉방 모드 시 압축기에 의해 압축된 고온, 고압의 기상 냉매를 응축기를 통해 응축한 뒤 팽창밸브와 증발기를 거쳐 다시 압축기로 순환시키는데, 증발기에서 냉매와의 열교환에 의해 냉각된 공기를 자동차 실내로 토출함으로써 실내 냉방이 이루어지도록 한다.

한편, 최근 에너지 효율과 환경오염 문제에 대한 관심이 증가하면서 내연기관 자동차를 실질적으로 대체할 수 있는 친환경 자동차의 개발이 이루어지고 있다. 친환경 자동차는 연료전지나 배터리를 동력원으로 이용하여 구동하는 전기자동차(FCEV,BEV)와, 엔진과 모터를 구동원으로 이용하여 구동하는 하이브리드 자동차(HEV,PHEV)로 구분할 수 있다. 이들 친환경 자동차(xEV)는 모두 배터리에 충전된 전력으로 모터를 구동하여 주행하는 모터 구동 차량 및 전동화 차량(Electrified Vehicle)이라는 공통점을 가진다.

또한, 전기자동차에는 차량 전반의 열관리를 수행하기 위한 열관리 시스템이 탑재된다. 열관리 시스템은 공기조화장치의 에어컨 시스템, 그리고 전력계통의 열관리와 냉각을 위해 냉각수나 냉매를 이용하는 냉각 시스템, 그리고 히트 펌프 시스템을 포함하는 넓은 의미의 시스템으로 정의할 수 있다. 여기서, 냉각 시스템은 전력계통을 순환하는 냉각수를 냉각하거나 가열하여 전력계통의 열을 관리할 수 있는 구성들을 포함한다. 또한, 히트 펌프 시스템은 전기 히터(예, PTC 히터)에 더하여 보조 난방 장치로 이용되는 것으로, 전력전자(Power Electronic, PE) 부품이나 배터리 등의 폐열을 회수하여 난방에 이용하도록 구성된 시스템이다.

공지의 냉각 시스템은, 냉각수가 저장되는 리저버 탱크, 냉각수를 순환시키기 위해 압송하는 전동식 워터펌프, 냉각수의 방열을 위한 라디에이터 및 쿨링팬, 냉각수의 냉각을 위한 칠러(chiller), 냉각수의 가열을 위한 냉각수 히터, 냉각수의 압송을 위한 전동식 워터펌프, 냉각수의 유동을 제어하기 위한 밸브들, 그리고 이들 부품 사이를 연결하는 냉각수 라인을 포함하여 구성되는 냉각 회로, 상기 냉각 회로의 냉각수 온도 및 냉각수 유동 제어를 수행하는 제어기로 구성된다.

전기자동차의 냉각 시스템은 차량 구동을 위한 전력전자 부품, 및 이 전력전자 부품에 작동 전력을 공급하는 배터리의 냉각수 유로를 따라 냉각수를 순환시켜 전력전자 부품과 배터리의 온도를 제어한다. 또한, 냉각 시스템은 필요에 따라 전력전자 부품과 배터리를 분리하여 개별 냉각하거나 또는 전력전자 부품과 배터리를 통합하여 냉각하도록 구성될 수 있다. 이를 위해 냉각 시스템은 3-웨이(3-way) 밸브의 작동을 제어하여 냉각수의 유동 방향을 제어할 수 있다.

최근 전기자동차에서는, 차량의 항속거리를 증가시키고 전비를 향상시키기 위해, 차량 전단부에 2개의 라디에이터를 배치하고 각 라디에이터를 순환하는 병렬의 냉각수 라인을 구성하여, 전력전자 부품과 배터리를 분리하여 냉각하는 냉각 시스템이 개발되고 있다.

그러나 공지의 병렬형 분리 냉각 시스템에서는 2개의 라디에이터가 차량 전후 방향을 기준으로 전방과 후방에 하나씩 상호 인접하여 배치된다. 이에 외기온이 높은 혹서 지역(예, 외기온 45℃ 이상)에서 라디에이터의 냉각 효율이 좋지 못한 단점이 있다. 특히, 차량 전단을 통해 유입되는 공기가 전방의 라디에이터를 통과한 뒤 후방의 라디에이터를 통과하므로 후방에 위치된 라디에이터의 냉각 효율이 크게 떨어지는 문제가 있다. 혹서 지역에서는 전방에 위치되는 라디에이터의 사용 영역이 적으므로 후방 라디에이터의 냉각 효율이 중요한데, 후방 라디에이터의 냉각 효율 저하가 시스템 전반의 효율 저하로 이어질 수 있다.

만약 혹서 지역에서 냉각 효율의 불리함을 극복하기 위해 차량 전단부에서 공기가 유입되는 범퍼 개구부의 유로 단면적을 증대시키거나 라디에이터 및 쿨링팬의 사양 증대가 가능하다. 하지만, 범퍼 개구부의 증대는 고속 주행시 전비를 악화시키는 문제가 있고, 라디에이터와 쿨링팬의 사양 증대는 원가 및 중량 상승의 원인이 될 수 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 외기온이 높은 지역에서 라디에이터의 냉각 효율이 크게 개선될 수 있는 전기자동차의 열관리 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따르면, 압축기, 외부 응축기, 제1 팽창밸브, 증발기를 포함하는 에어컨 시스템, 및 라디에이터와 전동식 워터펌프를 포함하고 냉각수를 이용하여 전력전자 부품을 냉각하는 수냉식 냉각 시스템을 포함하는 전기자동차의 열관리 시스템에 있어서, 상기 수냉식 냉각 시스템은, 전력전자 부품 중 제1 부품을 냉각하기 위해 제1 라디에이터를 포함하여 구성되는 제1 냉각 회로, 및 상기 전력전자 부품 중 나머지 부품을 냉각하기 위해 제2 라디에이터를 포함하여 구성되는 제2 냉각 회로를 포함하고, 상기 제2 냉각 회로에서 냉각수가 순환하는 냉각수 라인에는, 각각 상기 제2 라디에이터의 전단측 냉각수 라인과 후단측 냉각수 라인을 서로 연결하는 제2 바이패스 라인과 제3 바이패스 라인이 설치되며, 상기 제2 냉각 회로의 냉각수 라인에서 상기 제2 바이패스 라인과 제3 바이패스 라인이 분기되는 각 분기점에는 3-웨이 밸브인 제4 밸브와 제5 밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 열관리 시스템을 제공한다.

이로써, 본 발명에 따른 전기자동차의 열관리 시스템에 의하면, 외기온이 높은 지역에서 라디에이터의 냉각 효율이 크게 개선될 수 있는 효과가 있다.

도 1은 비교예의 전기자동차용 열관리 시스템을 도시한 구성도이다.
도 2 내지 도 4는 비교예의 열관리 시스템에서 차량의 냉방모드 및 난방모드에 따른 작동 상태를 나타내는 도면이다.
도 5와 도 6은 비교예의 배터리 냉각 방식을 구분하여 나타낸 작동 상태도이다.
도 7과 도 8은 비교예의 열관리 시스템이 가지는 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 열관리 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 제1 실시예에 따른 열관리 시스템의 작동 상태도이다.
도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 열관리 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 제2 실시예에 따른 열관리 시스템의 작동 상태도이다.
도 16은 본 발명의 제3 실시예에 따른 열관리 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 17 및 도 18은 본 발명의 제3 실시예에 따른 열관리 시스템의 작동상태도이다.
도 19는 본 발명에 따른 열관리 시스템에서 쿨링 모듈의 다양한 변형예를 나타낸 도면이다.
도 20은 본 발명의 열관리 시스템이 제공하는 효과를 설명하기 위한 도면이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명은 전기자동차에서 차량 전반의 열관리를 수행하기 위한 열관리 시스템에 관한 것으로서, 라디에이터의 냉각 효율이 크게 개선될 수 있는 전기자동차의 열관리 시스템을 제공하고자 하는 것이다.

특히, 본 발명은 외기온이 높은 혹서 지역에서 후방에 위치된 라디에이터의 냉각 효율 저하 및 그로 인한 문제점이 개선될 수 있는 전기자동차의 새로운 열관리 시스템을 제공하고자 하는 것이다.

또한, 본 발명은 외기온이 높은 혹서 지역에서 운행되는 차량에 특화된 저가형 열관리 시스템이 될 수 있는 것으로서, 차량 전단부의 쿨링 모듈 중 라디에이터와 외부 응축기의 배치가 변경되고, 전력전자 부품 중 일부 부품을 에어컨 시스템의 냉매를 이용하여 냉각할 수 있도록 구성된다.

먼저, 본 발명의 이해를 돕기 위해 비교예의 열관리 시스템의 구성과 문제점에 대해 설명하기로 한다.

도 1은 비교예의 전기자동차용 열관리 시스템을 도시한 구성도로서, 열관리를 수행하는 부품들, 그리고 냉각수와 냉매가 흐르는 냉각수 라인(114,127)과 냉매 라인(155)을 포함하는 냉각 회로가 도시되어 있다.

도시된 바와 같이, 전기자동차의 열관리 시스템은, 공기조화장치의 에어컨 시스템(140)과 함께, 차량 구동을 위한 전력전자 부품(Power Electronic, PE)(여기서는 배터리를 포함하는 의미임)의 열관리와 냉각을 수행하는 수냉식 냉각 시스템을 포함한다. 여기서, 냉각 시스템은 전력전자 부품을 순환하는 냉각수를 냉각하거나 가열하여 전력계통의 열을 관리할 수 있도록 구성된다.

냉각 시스템은, 냉각수가 저장되는 리저버 탱크(111,121), 냉각수 순환을 위해 냉각수를 압송하는 전동식 워터펌프(112,122,123), 냉각수의 방열을 위한 라디에이터(113,124) 및 쿨링팬(130), 냉각수의 냉각을 위한 칠러(125), 냉각수의 가열을 위한 냉각수 히터(126), 냉각수의 유동을 제어하기 위한 밸브(116,129)들, 그리고 이들 부품 사이를 연결하는 냉각수 라인(114,127)을 포함하여 구성되는 냉각 회로(110,120)와, 상기 냉각 회로(110,120)의 냉각수 온도 및 냉각수 유동 제어를 수행하는 제어기(미도시)를 포함한다. 여기서, 제어기는 전동식 워터펌프(112,122,123), 냉각수 히터(126), 후술하는 내부 히터(142), 압축기(144), 쿨링팬(130), 개폐 도어(143) 등의 작동을 제어하고, 더불어 열관리 시스템의 밸브(116,129,147,159,162)들을 제어한다. 예컨대, 제어기는 3-웨이(3-way) 밸브인 제3 밸브(116)와 제4 밸브(129)의 작동을 제어하여 냉각수의 유동 방향을 제어할 수 있다.

상기 냉각 시스템은 차량 구동을 위한 전력전자 부품(171-175), 및 이 전력전자 부품에 작동 전력을 공급하는 배터리(176)의 냉각수 유로를 따라 냉각수를 통과시켜 전력전자 부품(171-175)과 배터리(176)의 온도를 제어한다. 또한, 냉각 시스템은 필요에 따라 전력전자 부품(171-175)과 배터리(176)를 분리하여 개별 냉각하거나 또는 전력전자 부품과 배터리를 통합하여 냉각하도록 구성될 수 있다.

도 1의 열관리 시스템에서, 냉각 시스템은, 차량의 항속거리를 증가시키고 전비를 향상시키기 위해, 차량 전단부에 2개의 라디에이터(111,121)를 배치하고, 각 라디에이터를 순환하는 병렬의 냉각수 라인(114,127)을 구성하여, 전력전자 부품(PE)(171-175)과 배터리(176)를 분리하여 냉각할 수 있도록 한 병렬형 분리 냉각 시스템이다.

여기서, 냉각 대상이 되는 전력전자 부품은, 차량을 구동하기 위한 구동원인 전륜 모터(175)와 후륜 모터(174), 이 전륜 모터(175)와 후륜 모터(174)를 각각 구동하고 제어하기 위한 전륜 인버터(171)와 후륜 인버터(172), 배터리(176)를 충전하기 위한 차량 내 충전기(On-Board Charger, OBC) 및 저전압 DC-DC 컨버터(Low voltage DC-DC Conveter, LDC)(173)를 포함할 수 있다.

도 1을 참조하면, 두 개의 라디에이터, 즉 제1 라디에이터(113)와 제2 라디에이터(124)에 개별적으로 냉각수 라인(114,127)이 연결됨을 볼 수 있다. 제1 라디에이터(113)와 제2 라디에이터(124)는 쿨링팬(130)에 의해 흡입되는 외기와 각 라디에이터 내 냉각수 사이의 열교환에 의해 각 냉각수 라인(114,127)을 순환하는 냉각수로부터 열을 방출하고 냉각수를 냉각한다.

병렬형 분리 냉각 시스템에서, 운전 온도(냉각수 온도)에 따라, 상기 제1 라디에이터(113)는 상대적으로 고온의 냉각수를 통과시켜 방열 및 냉각하는 고온 라디에이터이다. 상기 제2 라디에이터(124)는 제1 라디에이터(113)에 비해 상대적으로 저온의 냉각수를 통과시켜 방열 및 냉각하는 저온 라디에이터이다. 이때, 저온 라디에이터인 제2 라디에이터(124)가 고온 라디에이터인 제1 라디에이터(113)의 전방에 배치될 수 있다.

상기 제1 라디에이터(113)와 제1 리저버 탱크(111), 전륜 인버터(171)와 후륜 인버터(172), 차량 내 충전기(OBC) 및 저전압 DC-DC 컨버터(LDC)(173), 후륜 모터(174) 및 전륜 모터(175) 등의 전력전자 부품 사이에는 냉각수가 순환될 수 있도록 제1 냉각수 라인(114)이 연결된다. 또한, 제1 냉각수 라인(114)에는 냉각수 순환을 위해 냉각수를 압송하는 제1 전동식 워터펌프(112)가 설치되고, 제1 라디에이터(113) 전단 및 후단의 냉각수 라인 사이를 연결하는 제1 바이패스 라인(115), 및 제1 라디에이터(113)로 냉각수를 선택적으로 흐르게 하기 위한 제3 밸브(116)가 설치된다. 여기서, 제3 밸브(116)는 유량 분배가 가능한 3-웨이(3-way) 밸브일 수 있다. 이로써, 제1 냉각수 라인(114)을 통해 냉각수를 순환시켜 전력전자 부품(171-175)들을 냉각하는 제1 냉각 회로(110)가 구성된다. 상기 제1 냉각 회로(110)에 의해 냉각되는 전력전자 부품은 차량 구동하는 모터, 상기 모터를 구동하기 위한 인버터, 배터리 충전을 위한 차량 내 충전기(OBC) 및 저전압 DC-DC 컨버터 중 적어도 하나를 포함하는 것이 될 수 있다.

제1 냉각 회로(110)에서는 제1 전동식 워터펌프(112)에 의해 압송된 냉각수가 제1 냉각수 라인(114)을 따라 순환하면서 전륜 인버터(171), 후륜 인버터(172), 충전기(OBC) 및 저전압 DC-DC 컨버터(LDC)(173), 후륜 모터(174), 전륜 모터(175) 등의 전력전자 부품들을 차례로 통과한다. 냉각수가 전력전자 부품(171-175)들을 통과하는 동안 각 전력전자 부품을 차례로 냉각하며, 전력전자 부품(171-175)들을 냉각한 고온의 냉각수는 제1 라디에이터(113)를 통과하는 동안 공기와의 열교환 및 방열을 통해 냉각된다.

한편, 제2 라디에이터(124)와 제2 리저버 탱크(121), 배터리(176), 냉각수 히터(126), 칠러(125) 사이에 냉각수가 순환되도록 제2 냉각수 라인(127)이 연결된다. 여기서, 배터리(176)는 전륜 모터(175)와 후륜 모터(174) 등 전력전자 부품들에 작동 전력을 공급한다. 이를 위해, 도면에 전기 배선에 대해서는 도시를 생략하였으나, 배터리(176)가 전력전자 부품(171-175)들에 전기 배선을 통해 연결된다. 예를 들면, 배터리(176)는 전륜 인버터(171)와 후륜 인버터(172)를 통해 각각 전륜 모터(175)와 후륜 모터(174)에 충방전 가능하게 연결된다. 또한, 배터리(176)는 차량 내 충전기(OBC) 및 저전압 DC-DC 컨버터(173)에 전기 배선을 통해 연결된다.

또한, 제2 냉각수 라인(127)에는 냉각수 순환을 위해 냉각수를 압송하는 전동식 워터펌프(122,123)가 설치되고, 제2 라디에이터(124) 전단 및 후단의 냉각수 라인 사이를 연결하는 제2 바이패스 라인(128), 및 제2 라디에이터(124)로 냉각수를 선택적으로 흐르게 하기 위한 제4 밸브(129)가 설치된다. 여기서, 제4 밸브(129)는 유량 분배가 가능한 3-웨이 밸브일 수 있다. 이로써, 제2 냉각수 라인(127)을 통해 냉각수를 순환시켜 배터리(176)를 냉각하는 제2 냉각 회로(120)가 구성된다. 제2 냉각 회로(120)에서는 복수 개의 전동식 워터펌프, 즉 제2 전동식 워터펌프(122)와 제3 전동식 워터펌프(123)가 제2 냉각수 라인(127)에 설치될 수 있다.

이러한 제2 냉각 회로(120)에서는 전동식 워터펌프(122,123)에 의해 압송된 냉각수가 제2 냉각수 라인(127)을 따라 순환하면서 배터리(176)를 통과하고, 냉각수가 배터리(176)를 통과하는 동안 냉각수에 의해 배터리(176)가 냉각된다. 또한, 배터리(176)를 냉각한 고온의 냉각수는 제2 라디에이터(124)를 통과하는 동안 공기와의 열교환 및 방열을 통해 냉각된다.

이와 같이 배터리(176)를 냉각한 냉각수의 온도는 전력전자 부품(171-175)을 냉각한 냉각수의 온도에 비해서는 상대적으로 저온이다. 따라서, 상대적으로 저온의 냉각수 방열이 이루어지는 제2 라디에이터(124)는 저온 라디에이터라 할 수 있고, 상대적으로 고온의 냉각수 방열이 이루어지는 제1 라디에이터(113)는 고온 라디에이터라 할 수 있다.

도 1에서 도면부호 126은 냉각수 히터(126)로서, 이는 배터리(176)와 칠러(125) 사이의 제2 냉각수 라인(127)에 설치된다. 냉각수 히터(126)는 배터리(176)의 승온이 요구될 경우 온(on) 작동되며, 제2 냉각수 라인(127)을 따라 순환되는 냉각수를 가열하여 가열된 냉각수가 배터리(176) 내 냉각수 유로로 유입될 수 있도록 한다. 냉각수 히터(126)는 전력을 공급받아 작동하는 전기식 히터일 수 있다.

또한, 비교예의 열관리 시스템은 에어컨 시스템(140)을 포함할 수 있다. 에어컨 시스템(140)은, 냉매를 압축하는 압축기(144), 압축기(144)에서 압축된 냉매를 응축하여 액화시키는 외부 응축기(146), 외부 응축기(146)에서 응축되어 액화된 냉매를 급속히 팽창시키는 제1 팽창밸브(147), 그리고 제1 팽창밸브(147)에서 팽창된 냉매를 증발시키면서 냉매의 증발 잠열을 이용하여 자동차 실내로 송풍되는 공기를 냉각하는 증발기(153) 등을 주요한 구성요소로 포함한다.

여기서, 외부 응축기(146)는 차량 전단부에 배치되어 외기가 통과하도록 구비된다. 이때, 공조 케이스(141)의 내부에서 증발기(153)의 후방으로 내부 응축기(145)가 배치되고, 이에 미도시된 공조 블로어에 의해 송풍되는 공기가 증발기(153)와 내부 응축기(145)를 차례로 통과한 뒤 차량 실내로 토출될 수 있도록 되어 있다. 도면부호 142는 선택적으로 작동하는 내부 히터(PTC 히터)(142)를 나타내고, 내부 히터(142)는 실내 난방을 위한 것이다.

이로써, 난방 모드(히트 펌프 모드)에서는 내부 히터(142)를 작동시켜 공조 블로어에 의해 송풍되는 공기가 내부 히터에 의해 가열된 뒤 차량 실내로 토출되도록 하고, 이에 차량 실내 난방이 이루어질 수 있다. 반면, 냉방 모드(에어컨 모드)에서는 압축기(144)를 작동시켜 냉매를 순환시킴으로써 공조 블로어에 의해 송풍되는 공기가 증발기(153)에 의해 냉각(냉매와의 열교환)된 뒤 차량 실내로 토출되도록 하고, 이에 차량 실내 냉방이 이루어질 수 있다.

또한, 공조 케이스(141) 내에서 증발기(153)와 내부 응축기(145) 사이에는 개폐 도어(143)가 배치되고, 이 개폐 도어(143)는 내부 응축기(145)를 통과하는 통로를 선택적으로 개폐한다. 개폐 도어(143)의 작동에 있어서, 차량의 난방 모드에서는 증발기(153)를 통과한 공기가 내부 응축기(145)와 내부 히터(142)를 통과하도록 개방되고, 차량의 냉방 모드에서는 증발기(153)를 통과하면서 냉각된 공기가 내부 응축기(145)와 내부 히터(142)를 거치지 않고 바로 차량 실내로 토출되도록 내부 응축기(145)와 내부 히터(142)측을 폐쇄한다.

에어컨 시스템(140)에서, 압축기(144), 외부 응축기(146), 제1 팽창밸브(147), 증발기(153) 사이에는 냉매가 순환되도록 냉매 라인(155)이 연결되며, 외부 응축기(146)는 차량 전단부에서 제1 라디에이터(113) 및 제2 라디에이터(124)의 전방에 배치될 수 있다. 또한, 압축기(144)와 증발기(153) 사이의 냉매 라인(155)에는 어큐뮬레이터(accumulator)(154)가 설치될 수 있다.

또한, 내부 응축기(145)가 냉매 라인(155)을 통해 외부 응축기(146)에 연결될 수 있고, 내부 응축기(145)는 압축기(144)와 외부 응축기(146) 사이의 냉매 라인(155)에 배치될 수 있다. 내부 응축기(145)는 공조 케이스(141)의 내부에서 증발기(153)의 후방 및 내부 히터(142)의 전방으로 배치될 수 있는데, 도 1을 참조하면 증발기(153)와 내부 히터(142) 사이에 내부 응축기(145)가 배치됨을 볼 수 있다.

결국, 에어컨 시스템(140)에서는 냉매가 압축기(144), 내부 응축기(145), 외부 응축기(146), 제1 팽창밸브(147), 증발기(153), 어큐뮬레이터(154), 그리고 다시 압축기(144)의 경로로 순환하게 된다. 압축기(144)는 내부 응축기(145)와 증발기(153) 사이의 냉매 라인(155)에 설치되어 기체 상태의 냉매를 고온, 고압으로 압축한다. 어큐뮬레이터(154)는 압축기(144)와 증발기(153) 사이의 냉매 라인(155)에 설치되어 압축기(144)에 기체 상태의 냉매만이 공급되도록 함으로써 압축기(144)의 효율 및 내구성을 향상시킨다.

외부 응축기(146)는 내부 응축기(145)와 냉매 라인(155)을 통해 연결되고, 압축기(144)로부터 압축된 냉매를 내부 응축기(145)를 통해 공급받아 쿨링팬(130)에 의해 흡입된 외기와 상호 열교환시켜 응축한다. 제1 팽창밸브(147)는 외부 응축기(146)에 의해 응축된 냉매를 공급받아 팽창시키며, 제1 팽창밸브(147)를 통과한 저온, 저압의 냉매는 증발기(153)로 공급된다. 이에 증발기(153)에서 제1 팽창밸브(147)에 의해 팽창된 냉매와 공조 블로어에 의해 송풍되는 공기 간 열교환이 이루어지며, 열교환을 통해 냉각된 공기가 차량 실내로 토출되어 실내 냉방이 이루어지게 된다. 제1 팽창밸브(147)는 솔레노이드 밸브 일체형 팽창밸브가 될 수 있으며, 이에 대해서는 후술하기로 한다.

한편, 비교예의 열관리 시스템은 배터리(176)의 냉각을 위해 제2 냉각수 라인(127)을 따라 순환하는 냉각수를 냉매와의 열교환을 통해 냉각하는 칠러(chiller)(125)를 포함한다. 상기 칠러(125)는 제2 냉각수 라인(127)과 냉매 라인(155)에 설치될 수 있다. 보다 구체적으로는, 칠러(125)는 배터리(176)를 냉각하기 위한 제2 냉각수 라인(127)과 에어컨 시스템(140)의 냉매 라인(155)에 설치될 수 있다. 여기서, 칠러(125)가 설치되는 냉매 라인(155)은 에어컨 시스템(140)의 냉매 라인(155)으로부터 분기된 별도의 분기 냉매 라인(156,157)이 될 수 있다.

여기서, 칠러(125)가 설치되는 분기 냉매 라인(156,157)은 외부 응축기(146)와 제1 팽창밸브(147) 사이의 냉매 라인(155)으로부터 분기되어 증발기(153)와 어큐뮬레이터(154) 사이의 냉매 라인(155)으로 연결되는 분기 냉매 라인일 수 있다. 이때, 칠러(125)의 냉매 입구는 제3 팽창밸브(152) 및 입구측 분기 냉매 라인(156)을 통해 외부 응축기(146)와 제1 팽창밸브(147) 사이의 냉매 라인(155)으로 연결된다. 또한, 칠러(125)의 냉매 출구는 출구측 분기 냉매 라인(157)을 통해 증발기(153)와 어큐뮬레이터(154) 사이의 냉매 라인(155)으로 연결된다.

즉, 상기 입구측 분기 냉매 라인(156)은 외부 응축기(146)와 제1 팽창밸브(147) 사이의 냉매 라인(155)으로부터 분기되어 제3 팽창밸브(152)를 통해 칠러(125)의 냉매 입구로 연결되는 분기 냉매 라인이고, 출구측 분기 냉매 라인(157)은 증발기(153)와 어큐뮬레이터(154) 사이의 냉매 라인(155)으로부터 분기되어 칠러(125)의 냉매 출구로 연결되는 분기 냉매 라인이다.

제3 팽창밸브(152)는 칠러(125)의 냉매 입구나 입구측 분기 냉매 라인(156)에 설치될 수 있고, 냉방 모드 시 냉매 라인(155)으로부터 분기된 입구측 분기 냉매 라인(156)을 통해 칠러(125)로 유입되는 냉매를 팽창시킨다. 이에 입구측 분기 냉매 라인(156)을 통해 제3 팽창밸브(152)로 유입된 냉매가 팽창과 동시에 온도가 저하된 상태로 칠러(125)에 유입될 수 있게 된다. 이에 따라 외부 응축기(146)에 의해 응축된 냉매가 냉매 라인(155)으로부터 입구측 분기 냉매 라인(156)을 통해 제3 팽창밸브(152)로 유입되고, 제3 팽창밸브(152)를 통과하는 동안 팽창된 저온, 저압의 냉매가 칠러(125)로 유입되면, 이어 냉매는 칠러(125)의 내부를 통과한 뒤 출구측 분기 냉매 라인(157)을 통해 다시 냉매 라인(155)으로 배출된다.

전술한 바와 같이, 칠러(125)는 제2 냉각수 라인(127)에 설치된다. 이에 칠러(125)의 내부에는 배터리(176)의 냉각을 위해 제2 냉각수 라인(127)을 따라 순환하는 냉각수가 통과하도록 되어 있다. 결국, 칠러(125)의 내부를 통과하는 냉각수와 저온의 냉매 사이에 열교환이 이루어질 수 있고, 칠러(125)에서 냉매와의 열교환에 의해 냉각된 냉각수가 제2 냉각수 라인(127)을 따라 순환될 수 있으며, 냉각된 냉각수에 의해 배터리(176)가 냉각될 수 있다.

그리고 비교예의 열관리 시스템은, 제2 냉각수 라인(127)에 설치되어 냉각수와 냉매 사이의 열교환이 이루어지는 열교환기, 즉 상기 칠러(125)와 별도로, 상기 제1 냉각수 라인(114) 및 제2 냉각수 라인(127)과 냉매 라인(155) 사이에 설치되어 냉각수와 냉매 사이의 열교환이 이루어지는 열교환기(158)를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 냉각수 라인(114)에서 열교환기(158)가 설치되는 위치는 전력전자 부품(171-175)들을 통과한 냉각수가 제1 라디에이터(113)로 흐르는 냉각수 라인, 즉 전력전자 부품(171-175)들로부터 제1 라디에이터(113)의 입구로 연결되는 라디에이터 전단의 냉각수 라인이 될 수 있다. 또한, 제2 냉각수 라인(127)에서 열교환기(158)가 설치되는 위치는 칠러(125)를 통과한 냉각수가 제2 라디에이터(124)로 흐르는 냉각수 라인, 즉 칠러(125)로부터 제2 라디에이터(124)의 입구로 연결되는 라디에이터 전단의 냉각수 라인이 될 수 있다.

또한, 냉매 라인(155)에서 열교환기(158)가 설치되는 위치는 내부 응축기(145)와 외부 응축기(146) 사이의 냉매 라인이 될 수 있다. 이때, 열교환기(158)의 입구가 냉매 라인(155)을 통해 내부 응축기(145)에 연결되고, 열교환기(158)의 출구가 냉매 라인(155)을 통해 외부 응축기(146)에 연결된다.

또한, 열교환기(158)의 입구에 연결된 입구측 냉매 라인(155)에 제2 팽창밸브(151)가 설치될 수 있다. 또한, 입구측 냉매 라인(155)에서 제습 라인(161)이 분기되어 제1 팽창밸브(147)와 증발기(153) 사이의 냉매 라인(155)으로 연결될 수 있다. 상기 입구측 냉매 라인(155)에서 제습 라인(161)이 분기되는 위치는 열교환기(158)의 입구와 제2 팽창밸브(151) 사이의 냉매 라인이 될 수 있다. 이에 제습 라인(161)은 열교환기(158)의 입구와 제2 팽창밸브(151) 사이의 냉매 라인(155)으로부터 제1 팽창밸브(147)와 증발기(153) 사이의 냉매 라인(155)으로 연결되는 별도 냉매 라인이 된다.

그리고 상기 열교환기(158)의 출구 또는 이 출구에서 외부 응축기(146)로 연결되는 냉매 라인(155)에는 제2 밸브(159)가 설치될 수 있고, 제2 밸브(159)는 3-웨이(3-way) 밸브일 수 있다. 또한, 열교환기(158)의 입구측 냉매 라인(155)으로부터 분기된 제습 라인(161)에는 제1 밸브(162)가 설치될 수 있고, 제1 밸브(162)는 냉매 라인(155)을 개폐하는 2-웨이(2-way) 밸브일 수 있다.

또한, 상기 제2 밸브(159)에는 증발기(153)와 어큐뮬레이터(154) 사이의 냉매 라인(155)으로 연결되는 별도의 연결 라인(160)이 연결된다. 즉, 열교환기(158)의 출구측에 위치되는 상기 제2 밸브(159)에는 열교환기(158)의 출구와 상기 연결 라인(160), 그리고 외부 응축기(146)로의 냉매 라인(155)이 연결된다.

이와 같은 제2 밸브(159)는 열교환기(158)를 통과한 냉매의 유동 방향을 제어하는데, 열교환기(158)를 통과한 냉매를 연결 라인(160)과 외부 응축기(146)로의 냉매 라인(155) 중 선택된 하나로만 흐르도록 냉매의 유동 방향을 제어할 수 있다. 상기 연결 라인(160)은 열교환기(158)를 통과한 냉매를 외부 응축기(146)를 통과하지 않도록 바이패스 시키는 일종의 바이패스 라인이라 할 수 있다.

열관리 시스템에서 상기한 열교환기(158), 제2 팽창밸브(151), 그리고 3-웨이 밸브인 제2 밸브(159)와 2-웨이 밸브인 제1 밸브(162)는 회로상 모두 인접하게 배치되므로 전체가 모듈화될 수 있다.

또한, 열관리 시스템에서 열교환기(158)는 냉방 모드 시 수냉식 응축기의 역할을 한다. 즉, 냉각수에 의해 냉매의 응축이 이루어지도록 하는 것이다. 냉방 모드 시, 제1 냉각수 라인(114)과 제2 냉각수 라인(127)을 따라 흐르는 냉각수가 열교환기(158)를 통과하고, 내부 응축기(145)를 통과한 냉매가 냉매 라인(155) 및 제2 팽창밸브(151)를 통해 열교환기(158)를 통과하는 동안, 냉각수와 냉매 간의 열교환이 이루어지는데, 이때의 열교환은 열이 냉매에서 냉각수로 전달되어 냉각수에 의한 냉매의 추가적인 응축(냉매 냉각)이 이루어지도록 하는 열교환이다.

반면, 난방 모드 시, 제1 냉각수 라인(114)과 제2 냉각수 라인(127)을 따라 흐르는 냉각수가 열교환기(158)를 통과하고, 내부 응축기(145)를 통과한 뒤 냉매 라인(155) 및 제2 팽창밸브(151)를 통해 공급된 냉매가 열교환기(158)를 통과하는 동안, 냉각수와 냉매 간의 열교환이 이루어지는데, 이때의 열교환은 열이 냉각수에서 냉매로 전달되어 냉각수에 의한 냉매의 가열이 이루어지도록 하는 열교환이다. 이와 같이 난방 모드 시에는 열교환기(158)가 냉각수의 열이 냉매로 전달되도록 하여 냉각수 및 냉매를 통해 폐열을 회수하는 폐열 회수 칠러의 역할을 한다. 또한, 난방 모드 시에는 열관리 시스템에서 냉각수와 냉매가 순환하는 구성들이 히트 펌프 시스템으로 작동하고, 히트 펌프 시스템으로 작동하는 동안 전력전자 부품(171-175)과 배터리(176)의 폐열을 냉각수와 냉매를 통해 회수하여 내부 응축기(145)를 통해 차량 실내 난방에 이용할 수 있게 된다.

상기 히트 펌프 시스템은, 공조 케이스(141) 내에 설치되어 에어컨 시스템의 압축기(144)에 의해 압축된 냉매가 통과하도록 구비된 내부 응축기(145), 상기 냉각 시스템의 냉각수 라인(114,127)과 상기 내부 응축기(145)에서 외부 응축기(146)로 연결되는 냉매 라인(155)이 통과하도록 구비되어 냉각수와 냉매 사이의 열교환이 이루어지는 열교환기(158), 및 상기 내부 응축기(145)와 열교환기(158) 사이의 냉매 라인(155)에 설치되는 제2 팽창밸브(151)를 포함한다.

한편, 도 2 내지 도 4는 비교예의 열관리 시스템에서 차량의 냉방모드 및 난방모드에 따른 작동 상태를 나타내는 도면이다.

도 2는 차량의 냉방 모드에서 열관리 시스템의 작동 상태를 나타낸 것으로, 제1 냉각 회로(110)와 제2 냉각 회로(120)를 통해 냉각수가 순환되고, 이러한 냉각수의 순환을 통하여 전륜 인버터(171), 후륜 인버터(172), 충전기(OBC) 및 저전압 DC-DC 컨버터(LDC)(173), 전륜 모터(175) 및 후륜 모터(174) 등 전력전자 부품들과 배터리(176)의 냉각이 이루어지게 된다.

또한, 차량 실내 냉방을 위해 에어컨 시스템(140)이 작동하며, 냉방 시 압축기(144)가 작동하는 동안 냉매가 냉매 라인(155)을 통해 순환하게 된다. 이때, 냉매가 압축기(144)에 의해 고온, 고압으로 압축된 뒤 내부 응축기(145)를 거쳐 열교환기(158)와 외부 응축기(146)를 차례로 통과하는데, 냉매가 열교환기(158)와 외부 응축기(146)를 통과하는 동안 응축된다. 이어 응축된 냉매는 제1 팽창밸브(147)를 통과하면서 저온, 저압으로 팽창되고, 저온, 저압으로 팽창된 냉매는 증발기(153)를 통과한 뒤 어큐뮬레이터(154)를 거쳐 다시 압축기(144)로 순환된다. 이와 같이 냉매가 증발기(153)를 통과하는 동안, 증발기(153)에서는 공조 블로어에 의해 송풍되는 공기와 냉매 간의 열교환이 이루어진다. 이때, 증발기(153)에서 냉매의 증발이 이루어지는 동안 냉매의 증발 잠열에 의해 공기가 냉각되고, 냉각된 공기가 차량 실내로 토출됨으로서 차량 실내 냉방이 이루어지게 된다.

상기와 같이 냉방 모드 시 냉매가 압축기(144), 내부 응축기(145), 열교환기(158), 외부 응축기(146), 제1 팽창밸브(147), 증발기(153), 어큐뮬레이터(154) 사이의 냉매 라인(155)을 따라 순환하는 동안, 열교환기(158)에서는 압축기(144)에 의해 고온, 고압으로 압축된 냉매가 통과하면서 제1 냉각 회로(110) 및 제2 냉각 회로(120)의 냉각수에 의해 냉각 및 응축된다. 또한, 압축기(144)에 의해 고온, 고압으로 압축된 냉매는 내부 응축기(145), 열교환기(158), 외부 응축기(146)를 통과한 뒤 제1 팽창밸브(147)를 통과하기 전까지는 고압 상태를 유지하다가 제1 팽창밸브(147)에서 저온, 저압 상태가 되어 증발기(153)로 공급된다. 상기 증발기(153)를 통과한 냉매는 저압 상태로 어큐뮬레이터(154)를 거쳐 압축기(144)로 순환된다.

그리고 냉방 모드에서는 외부 응축기(146)를 통과한 냉매 중 일부가 분기 냉매 라인(156)으로 분배되어 제3 팽창밸브(152)를 통해 칠러(125)로 공급되며, 이때 냉매는 제3 팽창밸브(152)를 통과하는 동안 저온, 저압 상태가 되어 칠러(125)로 유입되고, 칠러(125)에서 저온, 저압 상태의 냉매와 제2 냉각 회로(120)의 냉각수 간 열교환이 이루어진다. 이에 제2 냉각 회로(120)의 냉각수가 칠러(125)에서 냉매에 의해 냉각될 수 있으며, 이때 냉각된 냉각수가 배터리(176)를 냉각하는데 이용된다.

도 2를 참조하면, 냉방 모드에서 개폐 도어(143)가 내부 응축기(145) 및 내부 히터(142)측 통로를 폐쇄함을 볼 수 있다. 즉, 차량의 냉방 모드에서는 제1 팽창밸브(147)에 의해 저온, 저압으로 팽창된 냉매가 증발기(153)를 통과하므로 공조 블로어에 의해 송풍된 공기가 증발기(153)를 통과하면서 냉각되고, 이때 냉각된 공기가 내부 응축기(145)와 내부 히터(142)를 거치지 않고 바로 차량 실내로 토출될 수 있도록 개폐 도어(143)가 내부 응축기(145) 및 내부 히터(142)측 통로를 폐쇄한다.

다음으로, 도 3은 차량의 난방 모드에서 열관리 시스템의 작동 상태를 나타낸 것으로, 난방 모드에서도 제1 냉각 회로(110)와 제2 냉각 회로(120)를 통해 냉각수가 순환되고, 이러한 냉각수의 순환을 통해 전륜 인버터(171), 후륜 인버터(172), 충전기(OBC) 및 저전압 DC-DC 컨버터(LDC)(173), 전륜 모터(175) 및 후륜 모터(174) 등 전력전자 부품들과 배터리(176)의 냉각이 이루어지게 된다. 또한, 난방 모드에서 내부 히터(142)를 선택적으로 작동시킬 수 있는데, 내부 히터(142)의 작동시에는 공조 블로어에 의해 송풍되는 공기가 내부 히터(142)에 의해 가열된 뒤 차량 실내로 토출될 수 있고, 이에 차량 실내 난방이 이루어질 수 있다.

또한, 난방 모드 동안 압축기(144)가 작동하여 냉매를 냉매 라인(155)을 통해 순환시키는데, 이때 냉매가 압축기(144)에서 내부 응축기(145), 제2 팽창밸브(151), 열교환기(158), 다시 압축기(144)로 순환된다. 난방 모드 시 압축기(144)에 의해 고온, 고압으로 압축된 냉매는 내부 응축기(145)를 통과하는 동안 공조 블로어에 의해 송풍되는 공기와 열교환을 하게 되며, 이때 공기가 고온, 고압의 냉매에 의해 가열된 뒤 차량 실내로 토출되면서 차량 실내 난방이 이루어지게 된다.

이어 내부 응축기(145)를 통과하는 동안 응축된 냉매는 제2 팽창밸브(151)로 공급되며, 제2 팽창밸브(151)에서 냉매는 저온, 저압 상태로 팽창되고, 이어 팽창된 저온, 저압 상태의 냉매는 열교환기(158)로 유입되어 열교환기(158)에서 제1 냉각 회로(110) 및 제2 냉각 회로(120)의 냉각수와 열교환을 하게 된다. 이와 같이 열교환기(158)에서 냉각수와의 열교환을 통해 열을 흡수한 냉매는 증발된 후 연결 라인(160) 및 냉매 라인(155)을 거쳐 압축기(144)로 공급되고, 이후 압축기(144)에서 다시 고온, 고압으로 압축된 뒤 내부 응축기(145)로 공급되어 내부 응축기(145)를 통과하는 공조용 공기를 가열하게 된다. 이와 같이 난방 모드에서는 전력전자 부품 및 배터리(176)에서 회수되는 폐열을 이용하여 차량 실내를 난방할 수 있게 된다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 열교환기(158)를 통과하는 동안 냉각수의 열에 의해 증발된 냉매는 저압 기체 상태로 제2 밸브(159)와 연결 라인(160), 냉매 라인(155)을 차례로 통과하고, 이후 압축기(144)에서 다시 고온, 고압 상태로 압축된 뒤 다시 냉매 라인(155)을 따라 내부 응축기(145) 및 열교환기(158)를 통과하게 된다.

또한, 도 3을 참조하면, 난방 모드에서 개폐 도어(143)가 내부 응축기(145) 및 내부 히터(142)측 통로를 개방함을 볼 수 있다. 즉, 차량의 난방 모드에서는 제1 팽창밸브(147)에서 증발기(153)로 냉매가 공급되지 못하고 차단되는데, 이때 공조 블로어에 의해 송풍된 공기가 증발기(153)를 통과한다. 이와 같이 증발기(153)를 통과한 공기는 내부 응축기(145)와 내부 히터(142)를 통과하는 동안 가열된 뒤 차량 실내로 토출되는데, 이를 위해 개폐 도어(143)가 내부 응축기(145)와 내부 히터(142)측 통로를 개방한다.

다음으로, 도 4는 차량의 난방 및 제습 모드에서 열관리 시스템의 작동 상태를 나타낸 것으로, 도 3의 난방 모드와 비교하여 제습 라인(161)을 통해서도 추가로 냉매가 순환될 수 있도록 하고 있다.

제습을 위해 제1 밸브(162)가 개방되며, 제1 밸브(162)가 개방되면 압축기(144)에 의해 압축된 고온, 고압의 냉매가 내부 응축기(145)와 제2 팽창밸브(151)를 차례로 통과한 뒤 열교환기(158)로 공급된다. 이때, 제2 팽창밸브(151)를 통과하는 동안 냉매는 저온, 저압 상태로 팽창되고, 이어 저온, 저압 상태의 냉매 중 일부는 도 3의 난방 모드 시와 마찬가지로 열교환기(158)를 통과하지만, 나머지 일부는 제1 밸브(162)를 통해 제습 라인(161)으로 분배되어 흐르게 된다.

결국, 제1 밸브(162)를 통과한 저온, 저압 상태의 냉매는 제습 라인(161) 및 냉매 라인(155)을 거쳐 증발기(153)로 흐르고, 이어 냉매는 증발기(153)에서 증발된 뒤 다시 냉매 라인(155)을 따라 압축기(144)로 흐른다. 이와 동시에 공조 블로어에 의해 송풍되는 공기가 증발기(153)와 내부 응축기(145), 내부 히터(142)를 통과한 후 차량 실내로 토출된다. 이때, 공기는 증발기(153)를 통과하는 동안 저온 상태의 냉매에 의해 제습되고, 내부 응축기(145)를 통과하는 동안 고온 상태의 냉매에 의해 가열된 뒤, 이어 선택적으로 작동하는 내부 히터(142)를 통과하여 차량 실내로 토출됨으로써 차량 실내를 난방 및 제습하게 된다.

또한, 도 4를 참조하면, 난방 및 제습 모드에서 개폐 도어(143)가 내부 응축기(145) 및 내부 히터(142)측 통로를 개방함을 볼 수 있다. 즉, 차량의 난방 및 제습 모드에서는 제1 팽창밸브(147)에서 증발기(153)로 냉매가 공급되는데, 이때 공조 블로어에 의해 송풍된 공기가 증발기(153)를 통과하는 동안 제습된다. 또한, 증발기를 통과한 공기가 내부 응축기(145)와 내부 히터(142)를 통과하는 동안 가열된 뒤 차량 실내로 토출되는데, 이를 위해 개폐 도어(143)가 내부 응축기(145)와 내부 히터(142)측 통로를 개방한다.

도 4의 난방 및 제습 모드에서 냉매는 제습 라인(161)을 따라 이동하는 동안, 그리고 증발기(153)와 어큐뮬레이터(154)를 거쳐 압축기(144)로 공급되는 동안 저압 상태를 유지하고, 이후 압축기(144)에서 다시 압축되어 고온, 고압 상태가 된다.

이상으로 비교예의 열관리 시스템에 대해 설명하였는바, 이러한 비교예의 열 관리 시스템이 가지는 문제점에 대해 설명하기로 한다.

전술한 바와 같이, 인버터(171,172)와 모터(174,175), 충전기와 컨버터(173) 등 전력전자(PE) 부품의 냉각 과정에서는, 제1 냉각 회로(110)의 냉각수 라인, 즉 제1 냉각수 라인(114)을 따라 냉각수를 순환시켜 제1 라디에이터(113)에서 냉각수의 열을 방출하고, 제2 냉각 회로(120)의 냉각수 라인, 즉 제2 냉각수 라인(127)을 따라 냉각수를 순환시켜 제2 라디에이터(124)에서 냉각수의 열을 방출한다.

이때, 일례로서, 배터리의 냉각을 위해 요구되는 냉각수온이 40℃ 미만이고, 배터리의 냉각시 전열량이 3.0kW라면, 인버터에서 요구되는 냉각수온은 65℃ 미만, 전열량은 0.3kW일 수 있다. 이와 같이 인버터의 경우 배터리에 비해 요구 냉각수온은 높고 전열량은 적을 수 있다..

또한, 모터의 냉각을 위해 요구되는 냉각수온은 100℃ 미만(작동온도 150℃ 이상)이고, 모터에서의 전열량은 6.0kW일 수 있다. 즉, 전력전자 부품의 냉각을 위한 제1 냉각 회로(110)의 요구 냉각수온이 배터리의 냉각을 위한 제2 냉각 회로(120)의 요구 냉각수온보다 높고, 제1 냉각 회로(110)의 전열량이 제2 냉각 회로(120)의 전열량보다 많은 것이다.

이는 제1 냉각 회로(110)의 제1 라디에이터(113)에 비해 제2 냉각 회로(120)의 제2 라디에이터(124)에서 냉각수를 더 저온으로 유지해야 하는 것을 의미하고, 따라서 제1 라디에이터(113)는 고온 라디에이터(High Temperature Radiator, HTR)이고, 제2 라디에이터(124)는 저온 라디에이터(Low Temperature Radiator, LTR)이라 할 수 있다.

또한, 에어컨 시스템의 냉매 라인(155)에서 냉매 작동 온도는 40℃ 미만을 유지해야 하고, 전열량은 1.0kW일 수 있다. 결국, 제1 라디에이터(113) 및 제2 라디에이터(124), 그리고 외부 응축기(146)에서의 요구 냉각수온과 냉매 작동 온도를 고려하여, 쿨링 모듈 내 제1 라디에이터(113), 제2 라디에이터(124), 외부 응축기(146) 등의 배치가 결정되어야 하고, 냉각 회로 및 냉방 회로(냉매 회로)가 구성되어야 한다. 즉, 도 1의 비교예에서는, 쿨링 모듈의 구성 중 외부 응축기(146)를 차량 전단부에서 최전방 위치에 배치하고, 저온 라디에이터인 제2 라디에이터(124)를 고온 라디에이터인 제1 라디에이터(113)에 비해 전방 위치에 배치하고 있다.

또한, 도 5와 도 6은 비교예의 배터리 냉각 방식을 구분하여 나타낸 것으로서, 도 5는 제2 라디에이터(124)를 이용하여 배터리(176)를 냉각하는 통합 냉각 방식을 나타내고, 도 6은 칠러(125)를 이용하여 배터리(176)를 냉각하는 분리 냉각 방식을 나타낸다.

도 5와 같은 통합 냉각 방식은 제2 냉각 회로(120)의 제2 냉각수 라인(127)을 따라 제2 라디에이터(124)를 순환하는 냉각수에 의해 배터리(176)를 냉각하고, 이때 압축기(144)는 오프(off) 상태로 유지하여 냉매를 순환시키지 않는다. 이러한 통합 냉각 방식은 외기온이 낮은 조건일 때 이용 가능하다. 외기온이 낮은 조건에서는 제2 라디에이터(124)에서 배출되는 냉각수의 온도를 배터리 요구 냉각수 온도인 40℃ 미만으로 유지할 수 있다. 따라서, 칠러(125)의 이용 없이 냉각수만으로 배터리(176)를 냉각할 수 있다. 이때 압축기(144)를 작동시키지 않고 냉각수만으로 배터리(176)를 냉각시키므로 소모 전력을 줄일 수 있고, 차량 전비가 개선될 수 있다.

반면, 도 6과 같은 분리 냉각 방식에서는, 제2 라디에이터(124) 및 외기를 이용하여 냉각하는 것이 아닌, 칠러(125) 및 냉매만을 이용하여 배터리(176)를 냉각한다. 이를 위해, 제4 밸브(129)를 통해 냉각수의 유동 방향을 제어하여 냉각수가 제2 바이패스 라인(128)을 통해서만 흐르도록 하고, 제2 라디에이터(124)를 통과하지 않도록 한다. 이와 같이 제2 라디에이터(124)를 통과하지 않도록 냉각수를 바이패스(bypass) 시킴으로써, 냉각수가 배터리(176), 냉각수 히터(126), 칠러(127), 제4 밸브(129), 그리고 이들이 배치된 제2 냉각수 라인(127)과 제2 바이패스 라인(128)을 통해서만 순환되도록 하는 분리 냉각이 이루어진다. 이러한 분리 냉각 방식에서는 제2 라디에이터(124) 대신 칠러(127)를 이용하여 냉각수를 냉각하며, 칠러(127)에서는 냉매와 냉각수 간 열교환이 이루어지면서 냉매에 의해 냉각수가 냉각되어야 하므로, 압축기(144)를 온(on) 시켜 냉매가 냉매 라인(155)을 따라 순환되도록 한다. 이러한 분리 냉각 방식은 외기온이 높은 조건일 때 이용 가능하다.

한편, 상기와 같은 통합 냉각과 분리 냉각과는 상관없이, 제1 냉각 회로(110)를 통해서는 계속해서 냉각수가 순환되어 전력전자 부품의 냉각이 이루어져야 하고, 이때 제1 라디에이터(HTR,113)에서도 방열을 통해 냉각수가 냉각되어야 한다. 그러나 도 1과 같은 열관리 시스템의 경우 외기온이 높은 혹서 지역(예, 외기온 45℃ 이상인 지역)에서는 제1 라디에이터(HTR,113)의 냉각 효율이 크게 떨어진다. 또한, 혹서 지역에서는 외기온이 주로 45℃ 이상으로 높으므로 통합 냉각이 이용될 경우 제2 라디에이터(124)에서 배출되는 냉각수의 온도를 40℃ 미만으로 유지할 수 없다. 따라서, 혹서 지역에서는 외기온이 높은 조건에서 분리 냉각이 주로 실시되고, 통합 냉각으로 배터리(176)를 냉각시키는 경우는 거의 없다. 즉, 제2 라디에이터(124)의 역할이 무의미해지는 것이다. 따라서, 혹서 지역에서 운행하는 차량에 특화된 새로운 전기자동차용 열관리 시스템이 필요하다.

도 7과 도 8은 비교예의 열관리 시스템이 가지는 문제점을 설명하기 위한 도면으로서, 도 7은 외기온이 40℃인 고온 지역인 경우의 예를 나타내고, 도 8은 외기온이 45℃인 혹서 지역(예, 중동 지역)인 경우의 예를 나타낸다.

도 7을 참조하면, 40℃의 공기가 제2 라디에이터(LTR,124)로 유입되고 있고, 외부 응축기(146)를 통과한 공기는 냉매와의 열교환이 이루어지므로 42℃로 온도가 높아짐을 알 수 있다. 전방의 제2 라디에이터(LTR,124)를 통과한 뒤 제1 라디에이터(HTR,113)에 유입되는 공기의 온도, 즉 제1 라디에이터 입구 공기온(Tair)과, 제1 냉각수 라인(114)을 통해 제1 라디에이터(113)의 입구로 유입되는 제1 라디에이터 입구 냉각수온(Tcoolant)의 온도차(△T)는 제1 라디에이터(113)의 열교환 효율(즉, 냉각 효율)에 비례한다.

도 7과 도 8의 예에서 동일한 사이즈의 라디에이터를 적용하였을 때, 도 7의 고온 지역의 예에서는 입구 공기온(Tair)과 입구 냉각수온(Tcoolant)의 온도차(△T)가 25℃로 6.3kW의 방열이 가능하다. 그러나 도 8의 혹서 지역의 예에서는 온도차(△T)가 20℃로 떨어져서 5.1kW만 방열이 가능하다. 즉 고온 지역 대비 혹서 지역에서 제1 라디에이터(113)의 방열 성능 및 냉각 효율이 저하되는 것이다.

이에 혹서 지역에서 고온 지역과 동등한 냉각 성능을 확보하기 위해서는 유입 공기량을 증대시키기 위해 차량 전단부의 외기 유입구, 예를 들어 외기 유입되는 범퍼 개구부의 크기를 증대시켜야 하고, 더불어 쿨링 모듈에서 제1 라디에이터(113)와 쿨링팬(130)의 모터 용량을 증가시켜야 한다. 하지만, 이를 위해 라디에이터와 쿨링팬의 사양을 높이게 되면 원가 및 중량이 상승하는 문제가 있다. 특히, 범퍼 개구부의 크기는 차량의 고속 주행시 전비(항력계수)와 관계되므로 범퍼 개구부를 무조건 증가시키는 것에는 한계가 있다.

따라서, 상기한 문제점을 극복하면서 외기온이 높은 지역에서 라디에이터의 냉각 효율이 크게 개선될 수 있는 새로운 열관리 시스템이 요구되고 있다. 이에 본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 외기온이 높은 지역에서 더욱 유용한 전기자동차용 열관리 시스템을 제공하고자 한다.

도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기자동차용 열관리 시스템의 구성을 나타내는 회로도이다.

본 발명에서는 차량 전단부에 설치되는 쿨링 모듈에서 라디에이터와 응축기의 배치 형태가 개선된다. 제1 실시예를 설명하면, 도 9에 나타낸 바와 같이, 차량 전후 방향을 기준으로 전방 위치에 제1 라디에이터(HTR,113)와 제2 라디에이터(LTR,124)가 배치되고, 그 후방 위치에 외부 응축기(146)가 배치된다. 이때, 외부 응축기(146)의 후방에 쿨링팬(130)이 배치된다. 제1 라디에이터(113)와 제2 라디에이터(124)는 전면에서 보아 상측과 하측에 위치하도록 배치되고, 측면에서 볼 때 동일한 열에 상측과 하측으로 위치하도록 배치(즉, 상하 일렬로 배치)된다.

도 9를 참조하면, 상측에 제1 라디에이터(HTR,113)가, 하측에 제2 라디에이터(LTR,124)가 배치됨을 볼 수 있으나, 반대로 상측에 제2 라디에이터(LTR,124)가, 하측에 제1 라디에이터(HTR,113)가 배치될 수도 있다. 외기가 쿨링 모듈측으로 유입될 때, 범퍼 개구부(미도시)를 통과한 외기는 쿨링 모듈에서 하측으로 유입된 뒤 상측으로 분산되어 라디에이터(113,124)와 외부 응축기(146)를 통과한다(도 30 참조).

이때, 범퍼 개구부를 통해 하측으로 유입된 외기 중 일부가 바로 제1 라디에이터를 통과하고, 하측으로 유입된 외기 중 나머지는 상측으로 분산되어 제2 라디에이터를 통과하게 된다. 이에 하측으로 배치되어 직진하는 외기가 통과하도록 된 라디에이터가, 상측으로 배치되어 위로 분산된 외기가 통과하는 라디에이터에 비해 방열 측면에서 유리할 수 있다. 따라서, 상대적으로 고온의 냉각수가 통과하고 방열량이 많은 제1 라디에이터(113)를 하측에 배치하는 것이 고려될 수 있다.

도 1의 비교예에서는 외부 응축기(146), 제2 라디에이터(124), 제1 라디에이터(113)의 순으로 전후 방향 3열의 배치로 쿨링 모듈이 구성되었다. 하지만, 본 발명의 제1 실시예에서는 도 9에 나타낸 바와 같이 라디에이터(113,124)와 외부 응축기(146)의 열(列) 수가 2열로 축소된다.

도 9의 실시예에서 채택된 외부 응축기(146)는 풀 페이스(full face) 공냉식 응축기로서, 여기서 '풀 페이스'의 의미는, 차량 전단의 범퍼 개구부를 통해 유입된 공기가 쿨링 모듈을 통과한다고 할 때, 쿨링 모듈에서의 공기 통과 영역의 일부가 아닌, 공기 통과 영역 전체에 걸쳐 응축기가 배치되는 것을 의미한다.

이와 같이 쿨링 모듈의 열 수가 축소됨에 따라 공기저항의 최소화가 가능해진다. 또한, 라디에이터(113,124)를 최전방에 배치함으로써 라디에이터에서의 냉각 성능이 최우선적으로 고려될 수 있다. 즉, 라디에이터 내 냉각수가 더 낮은 온도의 공기와 열교환을 할 수 있는 것이며, 라디에이터의 냉각 성능(방열 성능) 및 냉각 효율이 향상될 수 있다.

또한, 본 발명의 제1 실시예에서, 제1 냉각 회로(110)의 냉각수 라인, 즉 제1 냉각수 라인(114)이 도 1의 비교예와 마찬가지로 고온 라디에이터(HTR)인 제1 라디에이터(113)로 연결된다. 즉, 제1 리저버 탱크(111), 제1 전동식 워터펌프(112), 제1 라디에이터(113), 제1 냉각수 라인(114), 제1 바이패스 라인(115), 제3 밸브(116)가 제1 냉각 회로(110)를 구성한다. 이는 도 1의 비교예와 비교하여 차이가 없다. 다만, 제1 라디에이터(HTR)(113)를 지나는 제1 냉각수 라인(114)에는 제1 부품으로서 차량을 구동하는 모터, 즉 전력전자 부품 중에서도 발열량(전열량)이 상대적으로 많고 요구 냉각수온이 상대적으로 높은 차량 구동용 모터(174,175)만이 설치된다. 여기서, 모터(제1 부품)는 전륜 모터(175)와 후륜 모터(174)를 포함할 수 있다.

제1 냉각 회로(110)에서 제1 바이패스 라인(115)은 열교환기(158)와 제1 라디에이터(113) 사이의 제1 냉각수 라인(114)에서 분기되어 제1 리저버 탱크(111)로 연결될 수 있다. 이때, 3-웨이 밸브인 제3 밸브(116)가 제1 냉각수 라인(114)에서 제1 바이패스 라인(115)이 분기되는 분기점에 설치된다.

또한, 본 발명의 제1 실시예에서, 제2 냉각 회로(120)의 냉각수 라인(127), 즉 배터리(176)의 냉각을 위한 제2 냉각수 라인(127)에 전력전자(PE) 부품(제2 부품)인 차량 내 충전기(OBC) 및 저전압 DC-DC 컨버터(LDC)(173)와 인버터(171,172)가 배치될 수 있다. 여기서, 배터리 충전을 위한 충전기(OBC) 및 저전압 DC-DC 컨버터(LDC)(173)는 두 부품이 통합된 형태인 충전기-컨버터 통합 유닛(Integrated Charge Control Unit, ICCU)일 수 있다. 또한, 인버터는 전륜 모터(175)를 구동 및 제어하기 위한 전륜 인버터(171)와, 후륜 모터(174)를 구동 및 제어하기 위한 후륜 인버터(172)를 포함하는 것일 수 있다.

또한, 본 발명의 제1 실시예에서, 제2 냉각수 라인(127)에서 제2 라디에이터(124)의 전단 및 후단 사이에는 별도의 바이패스 라인, 즉 제3 바이패스 라인(128a)이 추가로 연결되어 설치된다. 구체적으로는, 제2 라디에이터(124)와 배터리(176) 사이를 연결하는 제2 냉각수 라인(127)과, 칠러(127)와 제2 라디에이터(124) 사이를 연결하는 제2 냉각수 라인(17) 사이에 제3 바이패스 라인(128a)이 연결되도록 설치될 수 있다.

좀 더 구체적으로는, 제2 전동식 워터펌프(122)와 제3 전동식 워터펌프(123) 사이의 제2 냉각수 라인(127)과, 배터리 냉각용 칠러(125)와 열교환기(158) 사이의 제2 냉각수 라인(127) 사이에 제3 바이패스 라인(128a)이 연결되도록 설치될 수 있다. 이때, 제2 라디에이터(124)와 배터리(176) 사이의 제2 냉각수 라인(127)에서 제3 바이패스 라인(128a)이 분기되는 분기점 위치는, 전력전자(PE) 부품(제2 부품)과 제2 바이패스 라인(128)의 분기점 사이가 될 수 있다. 도 9를 참조하면, 전력전자(PE) 부품(제2 부품) 중 충전기-컨버터 통합 유닛(ICCU)(173)과, 제2 바이패스 라인(128)이 분기된 분기점 사이의 제2 냉각수 라인(127)에서 제3 바이패스 라인(128a)이 분기된 것을 볼 수 있다.

또한, 제2 라디에이터(124)에서 배터리(176) 사이의 제2 냉각수 라인(127)에서 제3 바이패스 라인(128a)이 분기되는 분기점에 3-웨이 밸브인 제5 밸브(129a)가 설치될 수 있고, 이 제5 밸브(129a) 또한 제어기에 의해 제어되는 전자식 밸브이다. 상기 제5 밸브(129a)는 제2 라디에이터(124)를 통과하도록 제2 냉각수 라인(127)을 따라 순환하는 냉각수가 배터리(176)로 선택적으로 흐르게 하기 위한 밸브이다.

결국, 본 발명의 제1 실시예에서, 제2 냉각수 라인(127)은 제2 바이패스 라인(128) 및 제3 바이패스 라인(128a)을 기준으로 제1 순환 라인(127a)과 제2 순환 라인으로 나누어진다. 즉, 상기 제1 순환 라인(127a)은 제2 리저버 탱크(121), 제2 전동식 워터펌프(122), 인버터(171,172)와 충전기-컨버터 통합 유닛(ICCU)(173), 제5 밸브(129a) 및 제3 바이패스 라인(128a), 열교환기(158), 그리고 저온 라디에이터인 제2 라디에이터(125)의 경로를 따라 연결되는 냉각수 순환 라인이 된다. 또한, 제2 순환 라인(127b)은 제3 전동식 워터펌프(122), 제3 부품으로서 배터리(176), 냉각수 히터(126), 배터리 냉각용 칠러(125), 제4 밸브(129) 및 제2 바이패스 라인(128)의 경로를 따라 연결되는 냉각수 순환 라인이 된다.

결국, 제2 냉각수 라인(127)에서도, 제1 순환 라인(127a)은 전력전자 부품 중 제2 부품인 인버터(171,172)와 충전기-컨버터 통합 유닛(ICCU)(173)의 냉각 및 열관리를 위한 냉각수 순환 라인이 된다. 또한, 제2 순환 라인(127b)은, 냉각수 히터(126) 및 칠러(125)와 함께, 배터리(176)의 냉각과 웜업을 위한 열관리 회로를 구성하는 냉각수 순환 라인이 된다.

그 밖에, 본 발명의 제1 실시예에서, 압축기(144)와 내부 응축기(145), 외부 응축기(146), 제1 팽창밸브(147), 증발기(153), 어큐뮬레이터(154)를 포함하는 에어컨 시스템은, 외부 응축기(146)가 제1 라디에이터(113) 및 제2 라디에이터(124)의 후방에 배치되는 것 외에는 도 1의 비교예와 비교하여 차이가 없다. 또한, 열교환기(158)와 제습 라인(161), 제1 밸브(162)와 제2 밸브(159), 제2 팽창밸브(151) 또한 도 1의 비교예와 비교하여 동일하게 설치될 수 있다.

도 10 내지 도 12는 상기와 같이 구성되는 제1 실시예에 따른 열관리 시스템의 작동 상태를 나타내는 도면이다. 도면에서 굵은 실선은 냉각수의 흐름을 나타낸다. 도 10은 배터리 웜업(warm-up) 시를 나타내는 도면으로, 도시된 바와 같이 외기온이 낮은 조건(예, 외기온 0℃ 미만)에서는 냉각수 히터(126)에 의해 제2 순환 라인(127b)의 냉각수가 가열된 상태로 순환되고, 가열된 냉각수에 의해 배터리(176)의 온도가 승온된다.

좀 더 설명하면, 배터리 웜업 시에는, 제2 냉각 회로(120)에서, 제2 바이패스 라인(128)과 제3 바이패스 라인(128a)를 통해 각각 냉각수가 순환될 수 있도록 제4 밸브(129) 및 제5 밸브(129a)가 제어된다. 즉, 제2 바이패스 라인(128)측 유로가 개방되도록 제4 밸브(129)가 제어되고, 제3 바이패스 라인(129)측 유로가 개방되도록 제5 밸브(129a)가 제어된다. 이에 냉각수가 각각 저온 라디에이터(LTR)인 제2 라디에이터(124)를 경유하는 제1 순환 라인(127a)과, 배터리(176) 및 냉각수 히터(126) 등을 경유하는 제2 순환 라인(127b)을 따라 독립적으로 순환되며, 각 순환 라인(127a,127b)을 따라 냉각수가 순환되도록 제2 전동식 워터펌프(122)와 제3 전동식 워터펌프(123)가 동시에 구동한다.

또한, 제1 냉각 회로(110)에서, 제1 바이패스 라인(115)을 통해 냉각수가 순환될 수 있도록 제3 밸브(116)가 제어된다. 즉, 제1 바이패스 라인(115)측 유로가 개방되도록 제3 밸브(116)가 제어되는 것이다. 결국, 제1 전동식 워터펌프(112)가 구동함에 따라 냉각수가 제1 냉각수 라인(114)을 따라 순환하고, 이때 제1 바이패스 라인(115)으로 냉각수가 흐르게 되면서, 고온 라디에이터(HTR)인 제1 라디에이터(113)에는 냉각수가 통과하지 않고 바이패스하게 된다.

도 10에 나타낸 배터리 웜업 시에는 압축기(144)를 구동하지 않으며, 냉각수 히터(126)만 발열 작동시켜 냉각수 히터에 의해 가열된 냉각수가 제2 순환 라인(127b)을 따라 순환하면서 배터리(176)를 웜업시킬 수 있도록 한다.

도 11은 외기온이 정해진 보통 온도 범위 이내인 조건(예, 0℃ ≤ 외기온 < 30℃)에서 배터리 통합 냉각이 이루어지는 상태를 나타내고 있다. 배터리 통합 냉각은 제2 바이패스 라인(128) 및 제3 바이패스 라인(128a)을 통해 냉각수가 흐르지 않도록 제4 밸브(129) 및 제5 밸브(129a)가 제어된다. 이때, 냉각수가 제2 냉각 회로(120)의 제2 냉각수 라인(127)을 순환할 때, 제2 바이패스 라인(128) 및 제3 바이패스 라인(128a)을 제외하고 제1 순환 라인(127a)과 제2 순환 라인(127b)을 순차적으로 흐르게 된다. 이로써, 저온 라디에이터(LTR)인 제2 라디에이터(124)에서 방열된 냉각수가 제2 냉각수 라인(127)을 따라 순환하는 동안 인버터(171,172) 및 충전기-컨버터 통합 유닛(ICCU)(173), 그리고 배터리(176)를 순차적으로 통과하면서 통합 냉각하게 된다. 도 11의 배터리 통합 냉각 시에도 압축기(144)는 구동하지 않으며, 냉각수 히터(126)는 오프 상태로 유지된다.

이때, 제1 냉각 회로(110)에서는 제1 바이패스 라인(115)을 통해 냉각수가 흐르지 않도록 제3 밸브(116)가 제어된다. 즉, 제1 바이패스 라인(115)측 유로가 차단되도록 제3 밸브(116)가 제어되는 것이다. 결국, 제1 전동식 워터펌프(112)가 구동함에 따라 냉각수가 제1 냉각수 라인(114)을 따라 순환하고, 이때 모터(174,175)를 냉각한 냉각수가 고온 라디에이터(HTR)인 제1 라디에이터(113)를 통과하면서 열을 방출하게 된다.

도 12는 외기온이 정해진 고온 범위 이내로 높은 조건(예, 30℃ ≤ 외기온 < 45℃)일 때를 나타내며, 배터리 분리 냉각이 이루어지는 상태를 보여주고 있다. 배터리 분리 냉각 시에는, 인버터(171,172) 및 충전기-컨버터 통합 유닛(173)과 배터리(176)가 제2 냉각 회로(120)에 의해 분리 냉각된다.

즉, 배터리 분리 냉각 시에는 칠러(125)를 이용하여 제2 순환 라인(127b)의 냉각수를 냉각함으로써 배터리(176)의 냉각이 이루어질 수 있도록 한다. 이때, 냉매는 압축기(144)의 작동으로 냉매 라인(155)을 순환하는데, 냉매 라인(155)에서 분기 냉매 라인(156)으로 분배된 냉매가 제3 팽창밸브(152)와 칠러(125)를 통과하게 된다. 이에 칠러(125)에서 냉매가 제2 순환 라인(127b)을 따라 순환하는 냉각수를 냉각하고, 이렇게 냉각된 냉각수가 배터리(176)를 냉각하게 된다. 이때, 냉각수 히터(126)는 오프 상태로 유지된다.

이러한 배터리(176)의 냉각과 동시에, 전력전자 부품 중 제2 부품인 인버터(171,172)와 충전기-컨버터 통합 유닛(ICCU)(173)은 제1 순환 라인(127a)을 따라 순환하는 냉각수를 이용하여 별도로 냉각한다. 이때, 인버터(171,172)와 충전기-컨버터 통합 유닛(173)을 냉각한 냉각수는 제2 라디에이터(124)에서 열을 방출하면서 냉각된다.

이와 동시에, 도 11의 경우와 마찬가지로, 모터(174,175)는 제1 냉각 회로(110)에 의해 냉각되고, 이때 제1 냉각수 라인(114)을 따라 순환하는 냉각수가 모터(174,175)를 냉각한 뒤 제1 라디에이터(113)를 통과하도록 순환되며, 제1 라디에이터(113)에서 냉각수가 열을 방출하게 된다. 이때, 제1 바이패스 라인(115)을 통해 냉각수가 흐르지 않도록 제3 밸브(116)가 제어된다.

또한, 외기온이 매우 높은 극악 조건, 즉 외기온이 상기 정해진 고온 범위보다 더 높은 극악 조건(예, 45℃ ≤ 외기온)일 때에도, 도 12를 참조로 설명한 배터리 분리 냉각 시와 동일하게 작동할 수 있다. 즉, 외기온이 상기 정해진 고온 범위 이내인 경우와 동일하게 배터리 분리 냉각이 실시되는 것이며, 배터리 분리 냉각에 대해서 도 12를 참조로 이미 설명하였으므로 더 이상의 설명은 생략하기로 한다.

한편, 도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전기자동차용 열관리 시스템의 구성을 나타내는 회로도이다. 도시된 바와 같이, 제2 바이패스 라인(128) 및 제4 밸브(129)와 함께 제3 바이패스 라인(128a)과 제5 밸브(129a)가 설치되는 점은 도 9의 실시예와 비교하여 차이가 없다. 또한, 인버터(171,172)와 충전기-컨버터 통합 유닛(ICCU)(173)이 제2 냉각 회로(120)의 제2 냉각수 라인(127)에서도 제1 순환 라인(127a)에 설치되는 점 또한 도 9의 실시예와 비교하여 차이가 없다. 다만, 제1 순환 라인(127a)에서 인버터(171,172)와 충전기-컨버터 통합 유닛(ICCU)(174)이 설치되는 위치가 변경된다.

즉, 본 발명의 제2 실시예에서, 인버터(171,172)와 충전기-컨버터 통합 유닛(ICCU)(173)은 제2 냉각수 라인(127)의 제1 순환 라인(127a)에서도 열교환기(158) 입구측(열교환기 전단)의 냉각수 라인에 설치될 수 있다. 구체적으로는, 제2 냉각수 라인(127)의 제1 순환 라인(127a) 중 열교환기(158) 입구측의 냉각수 라인에서, 상기 제3 바이패스 라인(128a)이 분기되는 분기점과 상기 열교환기(158) 사이의 위치에, 상기 인버터(171,172)와 충전기-컨버터 통합 유닛(ICCU)(173)이 배치되는 것이다. 물론, 도 9 및 도 13의 실시예에서, 인버터(171,172)와 충전기-컨버터 통합 유닛(ICCU)(173)이 제1 순환 라인(127a)을 따라 순환하는 냉각수에 의해 냉각되는 점은 동일하다.

그리고 제2 냉각 회로(120)의 제2 냉각수 라인(127)에서 제1 순환 라인(127a)에는 열교환기(158) 출구측(열교환기 후단)의 냉각수 라인에서 분기되어 제2 리저버 탱크(121)로 연결되는 제4 바이패스 라인(128b)이 추가로 더 설치된다. 상기 제4 바이패스 라인(128b)은 저온 라디에이터(LTR)인 제2 라디에이터(124) 전단(입구측)과 후단(출구측)의 냉각수 라인 사이를 연결하는 바이패스 라인으로서, 이 제4 바이패스 라인(128b) 또한 제1 순환 라인(127a)의 일부가 되며, 필요에 따라 제1 순환 라인(127a)을 따라 순환하는 냉각수가 제2 라디에이터(124)를 바이패스 하도록 하기 위한 바이패스 라인이다.

여기서, 상기 제1 순환 라인(127a) 중 제4 바이패스 라인(128b)이 분기되는 열교환기(159) 출구측의 냉각수 라인은, 상기 제2 라디에이터(124) 전단(입구측)의 냉각수 라인이라 할 수 있다. 또한, 제4 바이패스 라인(128b)이 분기되는 열교환기(158) 출구측의 냉각수 라인은, 제2 냉각 회로(120)의 제2 냉각수 라인(127)에서도, 상기 열교환기(158)와 제2 라디에이터(124) 사이의 냉각수 라인이라 할 수 있고, 더 넓게는 상기 배터리(176)와 제2 라디에이터(124) 사이의 냉각수 라인이라 할 수 있다.

또한, 열교환기(158) 출구측의 냉각수 라인에서 제4 바이패스 라인(128b)이 분기되는 분기점에는 제6 밸브(129b)가 설치될 수 있고, 이 제6 밸브(129b) 또한 제어기에 의해 제어되는 전자식 밸브이다. 상기 제6 밸브(129b)는 제1 순환 라인(127a)을 따라 순환하는 냉각수가 제2 라디에이터(124)에 선택적으로 흐르도록 하기 위한 밸브이다.

도 14 내지 도 17은 상기와 같이 구성되는 제2 실시예에 따른 열관리 시스템의 작동 상태를 나타내는 도면이다. 도면에서 굵은 실선은 냉각수의 흐름을 나타낸다. 도 14와 도 15는 배터리 웜업(warm-up) 시를 나타내는 도면으로, 도 14는 배터리 통합 웜업 시를, 도 15는 배터리 분리 웜업 시를 각각 나타낸다. 외기온이 낮은 조건(예, 외기온 0℃ 미만)에서는 도 14의 배터리 통합 웜업이나 도 15의 배터리 분리 웜업이 수행될 수 있다.

좀 더 설명하면, 도 14의 배터리 통합 웜업 시에는, 상기 제4 바이패스 라인(128b)측 유로를 개방하도록 제6 밸브(129b)가 제어되고, 제2 바이패스 라인(128)측 유로를 차단하도록 제4 밸브(129)가 제어된다. 또한, 제3 바이패스 라인(128a)측 유로를 차단하도록 제5 밸브(129a)가 제어된다. 이때, 제2 전동식 워터펌프(122)와 제3 전동식 워터펌프(123) 중 하나 또는 둘 모두가 구동되고, 결국 제2 냉각 회로(120)에서는 제2 냉각수 라인(127)을 순환하는 냉각수가 배터리(176)와 충전기-컨버터 통합 유닛(ICCU)(173), 인버터(171,172)를 순차적으로 통과하게 된다. 이때, 냉각수 히터(126)는 작동 상태 또는 미작동 상태로 유지할 수 있고, 배터리 냉각용 칠러(125)에는 냉매가 통과하지 않도록 제3 팽창 밸브(152)가 제어된다. 결국, 배터리 통합 웜업 시에는 인버터(171,172) 및 충전기-컨버터 통합 유닛(173)의 폐열이 냉각수를 통해 배터리(176)로 전달되고, 상기 폐열을 이용하는 배터리(176)의 웜업(통합 웜업)이 이루어지게 된다.

이와 달리, 도 15의 배터리 분리 웜업 시에는, 상기 제4 바이패스 라인(128b)측 유로를 개방하도록 제6 밸브(129b)가 제어되는 점은 동일하나, 제2 바이패스 라인(128)측 유로를 개방하도록 제4 밸브(129)가 제어된다. 또한, 제3 바이패스 라인(128a)측 유로를 개방하도록 제5 밸브(129a)가 제어된다. 이때, 제2 전동식 워터펌프(122)와 제3 전동식 워터펌프(123)가 모두 구동되며, 이에 제2 냉각 회로(120)의 제2 냉각수 라인(127)에서는 제1 순환 라인(127a)과 제2 순환 라인(127b)에서 각각 독립적으로 냉각수가 분리 순환하게 된다. 이때, 냉각수 히터(126)가 작동되고, 배터리 냉각용 칠러(125)에는 냉매가 통과하지 않도록 제3 팽창 밸브(152)가 제어된다. 결국, 배터리 분리 웜업 시에는, 제1 순환 라인(127a)을 순환하는 냉각수가 인버터(171,172) 및 충전기-컨버터 통합 유닛(173)을 통과하고, 이때 저온 라디에이터(LTR)인 제2 라디에이터(124)에는 냉각수가 통과하지 않게 된다. 또한, 제2 순환 라인(127b)을 순환하는 냉각수가 배터리(176)를 통과하게 되고, 이때 냉각수 히터(126)에 의해 가열된 냉각수가 배터리(176)를 통과하게 되면서 배터리의 웜업(분리 웜업, 인버터 및 ICCU 폐열 미이용)이 이루어지게 된다.

이와 같이 배터리 웜업 시에는 제1 라디에이터(113)와 제2 라디에이터(124)로 냉각수가 흐르지 않도록 하여 냉각수의 방열 및 냉각 없이 웜업이 이루어지도록 하며, 배터리 통합 웜업과 배터리 분리 웜업 중 하나의 수행이 가능하다.

도 16은 외기온이 정해진 보통 온도 범위 이내인 조건(예, 0℃ ≤ 외기온 < 30℃)에서 배터리 통합 냉각이 이루어지는 상태를 나타내고 있다. 배터리 통합 냉각은 제2 바이패스 라인(128) 및 제3 바이패스 라인(128a)을 통해 냉각수가 흐르지 않도록 제4 밸브(129) 및 제5 밸브(129a)가 제어된다. 또한, 제4 바이패스 라인(128b)을 통해 냉각수가 흐르지 않도록 제6 밸브(129b)가 제어된다. 즉, 해당 바이패스 라인(128,128a,128b)측 유로를 차단하도록 상기 제4 밸브(129))와 제5 밸브(129a), 제6 밸브(129b)가 각각 제어되는 것이다.

이에 따라 냉각수가 제2 냉각 회로(120)의 제2 냉각수 라인(127)을 순환할 때, 제2 바이패스 라인(128), 제3 바이패스 라인(128a) 및 제4 바이패스 라인(128b)을 제외하고 제1 순환 라인(127a)과 제2 순환 라인(127b)을 순차적으로 흐르게 된다. 이때, 냉각수는 제1 순환 라인(127a)에 위치된 제2 라디에이터(124)를 통과하는데, 제2 라디에이터(124)에서 열을 방출한 냉각수가 제2 냉각수 라인(127)을 따라 순환하는 동안 인버터(171,172) 및 충전기-컨버터 통합 유닛(ICCU)(173), 그리고 배터리(176)를 순차적으로 통과하면서 통합 냉각하게 된다. 도 16의 배터리 통합 냉각 시에도 압축기(144)는 구동하지 않으며, 냉각수 히터(126)는 오프 상태로 유지된다.

도 16과 같이 배터리 통합 냉각이 이루어지도록 함에 있어, 제2 실시예는 제1 실시예에 비해 유리함이 있다. 즉, 제2 실시예는 통합 냉각 시의 냉각수 순환 경로를 기준으로 인버터(171,172)가 배터리(176) 후단(하류측)에 배치되고 있는데, 통합 냉각 시 요구되는 냉각수온은 인버터(171,172)가 배터리(176)에 비해 높다. 따라서, 이를 고려할 때, 제1 실시예와 같이 인버터(171,172)를 배터리(176)의 전단(상류측)에 배치하는 것보다는, 제2 실시예와 같이 인버터(171,172)를 배터리(176)의 후단(하류측)에 배치하는 것이 더 유리하다.

도 17은 외기온이 정해진 고온 범위 이내로 높은 조건(예, 30℃ ≤ 외기온 < 45℃)일 때를 나타내며, 배터리 분리 냉각이 이루어지는 상태를 보여주고 있다. 배터리 분리 냉각 시에는, 인버터(171,172) 및 충전기-컨버터 통합 유닛(173)과 배터리(176)가 제2 냉각 회로(120)에 의해 분리 냉각된다.

이를 위해, 제2 바이패스 라인측 유로가 개방되도록 제4 밸브가 제어되고, 제3 바이패스 라인측 유로가 개방되도록 제5 밸브가 제어되며, 제4 바이패스 라인측 유로가 개방되도록 제6 밸브가 제어된다. 이때, 제2 전동식 워터펌프(122)와 제3 전동식 워터펌프(123)가 모두 구동되며, 이에 제2 냉각 회로(120)의 제2 냉각수 라인(127)에서는 제1 순환 라인(127a)과 제2 순환 라인(127b)에서 각각 독립적으로 냉각수가 분리 순환하게 된다. 또한, 제1 순환 라인(127a)을 순환하는 냉각수가 제2 라디에이터(124)를 통과하게 된다.

이러한 배터리 분리 냉각 시에는 칠러(125)를 이용하여 제2 순환 라인(127b)의 냉각수를 냉각함으로써 배터리(176)의 냉각이 이루어질 수 있도록 한다. 이때, 냉매는 압축기(144)의 작동으로 냉매 라인(155)을 순환하는데, 냉매 라인(155)에서 분기 냉매 라인(156)으로 분배된 냉매가 제3 팽창밸브(152)와 칠러(125)를 통과하게 된다. 이에 칠러(125)에서 냉매가 제2 순환 라인(127b)을 따라 순환하는 냉각수를 냉각하고, 이렇게 냉각된 냉각수가 배터리(176)를 냉각하게 된다. 이때, 냉각수 히터(126)는 오프 상태로 유지된다.

이와 동시에, 도 16의 경우와 마찬가지로, 모터(174,175)는 제1 냉각 회로(110)에 의해 냉각되고, 이때 제1 냉각수 라인(114)을 따라 순환하는 냉각수가 모터(174,175)를 냉각한 뒤 제1 라디에이터(113)를 통과하도록 순환되며, 제1 라디에이터(113)에서 냉각수가 열을 방출하게 된다. 이때, 제1 바이패스 라인(115)을 통해 냉각수가 흐르지 않도록 제3 밸브(116)가 제어된다.

또한, 외기온이 매우 높은 극악 조건, 즉 외기온이 상기 정해진 고온 범위보다 더 높은 극악 조건(예, 45℃ ≤ 외기온)일 때에도, 도 17을 참조로 설명한 배터리 분리 냉각 시와 동일하게 작동할 수 있다. 즉, 외기온이 상기 정해진 고온 범위 이내인 경우와 동일하게 배터리 분리 냉각이 실시되는 것이며, 배터리 분리 냉각에 대해서 도 17을 참조로 이미 설명하였으므로 더 이상의 설명은 생략하기로 한다.

한편, 도 18은 본 발명의 제3 실시예에 따른 전기자동차용 열관리 시스템의 구성을 나타내는 회로도이다. 도시된 바와 같이, 제2 바이패스 라인(128) 및 제4 밸브(129)와 함께 제3 바이패스 라인(128a)과 제5 밸브(129a)가 설치되는 점은 도 13의 실시예와 비교하여 차이가 없다. 또한, 인버터(171,172)와 충전기-컨버터 통합 유닛(ICCU)(173)이 제2 냉각 회로(120)의 제2 냉각수 라인(127)에서도 제1 순환 라인(127a)에 설치되는 점 또한 도 13의 실시예와 비교하여 차이가 없다. 또한, 1 순환 라인(127a)에서 인버터(171,172)와 충전기-컨버터 통합 유닛(ICCU)(174)이 설치되는 위치 또한 도 13의 실시예와 비교하여 차이가 없다.

즉, 인버터(171,172)와 충전기-컨버터 통합 유닛(ICCU)(173)이 제2 냉각수 라인(127)의 제1 순환 라인(127a)에서도 열교환기(158) 입구측(열교환기 전단)의 냉각수 라인에 설치될 수 있다. 구체적으로는, 제2 냉각수 라인(127)의 제1 순환 라인(127a) 중 열교환기(158) 입구측의 냉각수 라인에서, 상기 제3 바이패스 라인(128a)이 분기되는 분기점과 상기 열교환기(158) 사이의 위치에, 상기 인버터(171,172)와 충전기-컨버터 통합 유닛(ICCU)(173)이 배치될 수 있다. 또한, 도 18의 실시예에서도 인버터(171,172)와 충전기-컨버터 통합 유닛(ICCU)(173)이 제1 순환 라인(127a)을 따라 순환하는 냉각수에 의해 냉각된다.

다만, 도 18의 실시예에서는 제2 냉각 회로(120)의 제2 냉각수 라인(127)과 냉매 라인(156a,157a)에 전력전자 부품 중 제2 부품(인버터, ICCU)(171,172,173)을 냉각하기 위한 별도의 부품 냉각용 칠러(125a)가 추가로 설치된다. 여기서, 부품 냉각용 칠러(125a)는 제2 냉각수 라인(127) 중 제1 순환 라인(127a)의 일부가 되는 제3 바이패스 라인(128a)에 설치되고, 상기 부품 냉각용 칠러(125a)가 설치되는 냉매 라인(156a,157a)은 에어컨 시스템의 냉매 라인(155)으로부터 별도로 분기된 분기 냉매 라인이 될 수 있다.

구체적으로는, 상기 부품 냉각용 칠러(125a)가 설치되는 분기 냉매 라인(156a,157a)은, 외부 응축기(146)와 제1 팽창밸브(147) 사이의 냉매 라인(155)으로부터 분기되어 증발기(153)와 어큐뮬레이터(154) 사이의 냉매 라인(155)으로 연결되는 분기 냉매 라인일 수 있다. 이때, 부품 냉각용 칠러(125a)의 냉매 입구는 제4 팽창밸브(152a) 및 입구측 분기 냉매 라인(156a)을 통해 외부 응축기(146)와 제1 팽창밸브(147) 사이의 냉매 라인(155)으로 연결된다. 또한, 부품 냉각용 칠러(125a)의 냉매 출구는 출구측 분기 냉매 라인(157a)을 통해 증발기(153)와 어큐뮬레이터(154) 사이의 냉매 라인(155)으로 연결된다.

즉, 상기 입구측 분기 냉매 라인(156a)은 외부 응축기(146)와 제1 팽창밸브(147) 사이의 냉매 라인(155)으로부터 분기되어 제4 팽창밸브(152a)를 통해 부품 냉각용 칠러(125a)의 냉매 입구로 연결되는 분기 냉매 라인이고, 출구측 분기 냉매 라인(157a)은 증발기(153)와 어큐뮬레이터(154) 사이의 냉매 라인(155)으로부터 분기되어 칠러(125a)의 냉매 출구로 연결되는 분기 냉매 라인이다.

제4 팽창밸브(152a)는 부품 냉각용 칠러(125a)의 냉매 입구나 입구측 분기 냉매 라인(156a)에 설치될 수 있고, 제2 부품(171,172,173)의 냉각 시 냉매 라인(155)으로부터 분기된 입구측 분기 냉매 라인(156a)을 통해 부품 냉각용 칠러(125a)로 유입되는 냉매를 팽창시킨다. 이에 입구측 분기 냉매 라인(156a)을 통해 제4 팽창밸브(152a)로 유입된 냉매가 팽창과 동시에 온도가 저하된 상태로 부품 냉각용 칠러(125a)에 유입될 수 있게 된다. 이에 따라 외부 응축기(146)에 의해 응축된 냉매가 냉매 라인(155)으로부터 입구측 분기 냉매 라인(156a)을 통해 제4 팽창밸브(152a)로 유입되고, 제4 팽창밸브(152a)를 통과하는 동안 팽창된 저온, 저압의 냉매가 부품 냉각용 칠러(125a)로 유입되면, 이어 냉매는 부품 냉각용 칠러(125a)의 내부를 통과한 뒤 출구측 분기 냉매 라인(157a)을 통해 다시 냉매 라인(155)으로 배출된다.

또한, 전술한 바와 같이, 부품 냉각용 칠러(125a)는 제2 냉각수 라인(127)의 제1 순환 라인(127a)에 설치된다. 이에 부품 냉각용 칠러(125a)의 내부에는 전력전자 부품 중 제2 부품인 인버터(171,172)와 충전기-컨버터 통합 유닛(ICCU)(173)의 냉각을 위해 제1 순환 라인(127a)을 따라 순환하는 냉각수가 통과하도록 되어 있다. 결국, 부품 냉각용 칠러(125a)의 내부를 통과하는 냉각수와 저온의 냉매 사이에 열교환이 이루어질 수 있고, 부품 냉각용 칠러(125a)에서 냉매와의 열교환에 의해 냉각된 냉각수가 제1 순환 라인(127a)을 따라 순환될 수 있으며, 냉각된 냉각수에 의해 인버터(171,172)와 충전기-컨버터 통합 유닛(ICCU)(173)이 냉각될 수 있다.

도 19 내지 도 23은 상기와 같이 구성되는 제3 실시예에 따른 열관리 시스템의 작동 상태를 나타내는 도면이다. 도면에서 굵은 실선은 냉각수의 흐름을 나타낸다. 도 19와 도 20은 배터리 웜업(warm-up) 시를 나타내는 도면으로, 도 19는 배터리 통합 웜업 시를, 도 20은 배터리 분리 웜업 시를 각각 나타낸다. 외기온이 낮은 조건(예, 외기온 0℃ 미만)에서는 도 19의 배터리 통합 웜업이나 도 20의 배터리 분리 웜업이 수행될 수 있다. 이러한 제3 실시예의 배터리 통합 웜업과 배터리 분리 웜업의 작동 상태는, 도 14 및 도 15를 참조로 설명한 제2 실시예의 배터리 통합 웜업과 배터리 분리 웜업의 작동 상태와 비교하여 차이가 없다. 이에 작동 상태에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 21은 외기온이 정해진 보통 온도 범위 이내인 조건(예, 0℃ ≤ 외기온 < 30℃)에서 배터리 통합 냉각이 이루어지는 상태를 나타내고 있다. 이러한 제3 실시예의 배터리 통합 냉각의 작동 상태는 도 16을 참조로 설명한 제2 실시예의 배터리 통합 냉각의 작동 상태와 비교하여 차이가 없다. 이에 작동 상태에 대한 설명은 생략하기로 한다.

도 22는 외기온이 정해진 고온 범위 이내로 높은 조건(예, 30℃ ≤ 외기온 < 45℃)일 때를 나타내며, 배터리 분리 냉각이 이루어지는 상태를 보여주고 있다. 이러한 제3 실시예의 배터리 분리 냉각 시 작동 상태는 도 17을 참조로 설명한 제2 실시예의 배터리 분리 냉각 시 작동 상태와 비교하여 차이가 없다.

즉, 제3 실시예의 배터리 분리 냉각 시에도, 인버터(171,172) 및 충전기-컨버터 통합 유닛(173)과 배터리(176)가 제2 냉각 회로(120)에 의해 분리 냉각된다. 이때, 인버터(171,172) 및 충전기-컨버터 통합 유닛(173)은 제1 순환 라인(127a)을 따라 순환하는 냉각수에 의해 냉각되고, 배터리(176)는 제2 순환 라인(127b)을 따라 순환하는 냉각수에 의해 냉각된다.

다만, 제1 순환 라인(127a)을 따라 순환하는 냉각수는 부품 냉각용 칠러(125a)에 의해 냉각된 후, 제2 부품인 인버터(171,172) 및 충전기-컨버터 통합 유닛(173)을 통과하는 동안 이들 제2 부품을 차례로 냉각하게 된다. 이와 동시에, 제2 순환 라인(127b)을 따라 순환하는 냉각수는 배터리 냉각용 칠러(125)에 의해 냉각된 후, 제3 부품인 배터리(176)를 통과하는 동안 배터리를 냉각하게 된다. 이때, 제2 전동식 워터펌프(122)와 제3 전동식 워터펌프(123)가 구동하여 제1 순환 라인(127a)과 제2 순환 라인(127b)에서 각각 냉각수가 순환되도록 하며, 압축기(144)가 구동되는 동시에, 팽창된 냉매가 각 칠러(125,125a)로 유입될 수 있도록 제3 팽창밸브(152)와 제4 팽창밸브(152a)가 제어된다.

배터리 분리 냉각 시 냉각수 히터(126)는 오프 상태로 유지되며, 인버터(171,172)와 충전기-컨버터 통합 유닛(173)을 냉각한 냉각수는, 제2 실시예의 분리 냉각 시와 마찬가지로, 제2 라디에이터(124)에서 열을 방출하면서 냉각된다.

이와 동시에, 도 21의 경우와 마찬가지로, 모터(174,175)는 제1 냉각 회로(110)에 의해 냉각되고, 이때 제1 냉각수 라인(114)을 따라 순환하는 냉각수가 모터(174,175)를 냉각한 뒤 제1 라디에이터(113)를 통과하도록 순환되며, 제1 라디에이터(113)에서 냉각수가 열을 방출하게 된다. 이때, 제1 바이패스 라인(115)을 통해 냉각수가 흐르지 않도록 제3 밸브(116)가 제어된다.

또한, 외기온이 매우 높은 극악 조건, 즉 외기온이 상기 정해진 고온 범위보다 더 높은 극악 조건(예, 45℃ ≤ 외기온)일 때, 제3 실시예에서는 제1 순환 라인(127a)을 순환하는 냉각수가 부품 냉각용 칠러(125a)에 의해 냉각되고 있으므로, 부품 냉각용 칠러(125a)에 의해 냉각된 제1 순환 라인(127a)의 냉각수가 제2 라디에이터(124)를 통과하도록 하면, 제2 라디에이터(124)에서 냉각수의 열이 외기로 방출되지 못하고 반대로 주변을 통과하는 외기로부터 냉각수가 열을 전달받을 수 있다.

따라서, 냉각수가 제2 라디에이터(124)에서 방열이 아닌 흡열을 거칠 수가 있으므로, 냉각수가 제2 라디에이터(124)를 통과하지 않고 바이패스되도록 제6 밸브(129b)가 제4 바이패스 라인(128b)측 유로를 개방하도록 제어된다. 이에 냉각수가 제1 순환 라인(127a)을 순환할 때 제4 바이패스 라인(128b)을 통해 순환하면서 제2 라디에이터(124)를 바이패스하게 되고, 결국 외기온이 높은 극악 조건에서 제2 라디에이터(124)를 통해 냉각수의 온도가 승온되는 것이 방지될 수 있다.

다음으로, 도 24는 본 발명의 제4 실시예에 따른 전기자동차용 열관리 시스템의 구성을 나타내는 회로도이다. 도시된 바와 같이, 제2 바이패스 라인(128) 및 제4 밸브(129)와 함께 제3 바이패스 라인(128a)과 제5 밸브(129a)가 설치되는 점은 도 18의 실시예와 비교하여 차이가 없다. 또한, 인버터(171,172)와 충전기-컨버터 통합 유닛(ICCU)(173)이 제2 냉각 회로(120)의 제2 냉각수 라인(127)에서도 제1 순환 라인(127a)에 설치되는 점 또한 도 18의 실시예와 비교하여 차이가 없다. 또한, 1 순환 라인(127a)에서 인버터(171,172)와 충전기-컨버터 통합 유닛(ICCU)(174)이 설치되는 위치 또한 도 18의 실시예와 비교하여 차이가 없다.

즉, 인버터(171,172)와 충전기-컨버터 통합 유닛(ICCU)(173)이 제2 냉각수 라인(127)의 제1 순환 라인(127a)에서도 열교환기(158) 입구측(열교환기 전단)의 냉각수 라인에 설치될 수 있다. 구체적으로는, 제2 냉각수 라인(127)의 제1 순환 라인(127a) 중 열교환기(158) 입구측의 냉각수 라인에서, 상기 제3 바이패스 라인(128a)이 분기되는 분기점과 상기 열교환기(158) 사이의 위치에, 상기 인버터(171,172)와 충전기-컨버터 통합 유닛(ICCU)(173)이 배치될 수 있다. 또한, 도 24의 실시예에서도 인버터(171,172)와 충전기-컨버터 통합 유닛(ICCU)(173)이 제1 순환 라인(127a)을 따라 순환하는 냉각수에 의해 냉각된다.

다만, 도 24의 실시예에서는 제2 냉각 회로(120)의 제2 냉각수 라인(127)과 냉매 라인(156a,157a)에 전력전자 부품 중 제2 부품(인버터, ICCU)(171,172,173)과 제3 부품(배터리)(176)을 모두 냉각할 수 있는 통합형 칠러인 양면 냉각 칠러(125b)가 추가로 설치된다.

상기 양면 냉각 칠러(125b)는 제2 냉각수 라인(127)에서도 제1 순환 라인(127a)과 제2 순환 라인(127b) 사이에 설치되고, 구체적으로는, 제1 순환 라인(127a)의 제3 바이패스 라인(128a)과 제2 순환 라인(127b)의 제2 바이패스 라인(128) 사이에 설치될 수 있다. 또한, 양면 냉각 칠러(125b)가 설치되는 냉매 라인(156a,157a)은 에어컨 시스템의 냉매 라인(155)으로부터 별도로 분기된 분기 냉매 라인이 될 수 있다.

구체적으로는, 상기 양면 냉각 칠러(125a)가 설치되는 분기 냉매 라인(156a,157a)은, 외부 응축기(146)와 제1 팽창밸브(147) 사이의 냉매 라인(155)으로부터 분기되어 증발기(153)와 어큐뮬레이터(154) 사이의 냉매 라인(155)으로 연결되는 분기 냉매 라인일 수 있다. 이때, 양면 냉각 칠러(125a)의 냉매 입구는 제5 팽창밸브(152b) 및 입구측 분기 냉매 라인(156a)을 통해 외부 응축기(146)와 제1 팽창밸브(147) 사이의 냉매 라인(155)으로 연결된다. 또한, 양면 냉각 칠러(125a)의 냉매 출구는 출구측 분기 냉매 라인(157a)을 통해 증발기(153)와 어큐뮬레이터(154) 사이의 냉매 라인(155)으로 연결된다.

즉, 상기 입구측 분기 냉매 라인(156a)은 외부 응축기(146)와 제1 팽창밸브(147) 사이의 냉매 라인(155)으로부터 분기되어 제5 팽창밸브(152b)를 통해 양면 냉각 칠러(125b)의 냉매 입구로 연결되는 분기 냉매 라인이고, 출구측 분기 냉매 라인(157a)은 증발기(153)와 어큐뮬레이터(154) 사이의 냉매 라인(155)으로부터 분기되어 양면 냉각 칠러(125b)의 냉매 출구로 연결되는 분기 냉매 라인이다.

제5 팽창밸브(152b)는 양면 냉각 칠러(125a)의 냉매 입구나 입구측 분기 냉매 라인(156a)에 설치될 수 있고, 제2 부품(171,172,173)의 냉각 시 냉매 라인(155)으로부터 분기된 입구측 분기 냉매 라인(156a)을 통해 양면 냉각 칠러(125b)로 유입되는 냉매를 팽창시킨다. 이에 입구측 분기 냉매 라인(156a)을 통해 제5 팽창밸브(152b)로 유입된 냉매가 팽창과 동시에 온도가 저하된 상태로 양면 냉각 칠러(125b)에 유입될 수 있게 된다. 이에 따라 외부 응축기(146)에 의해 응축된 냉매가 냉매 라인(155)으로부터 입구측 분기 냉매 라인(156a)을 통해 제5 팽창밸브(152b)로 유입되고, 제5 팽창밸브(152b)를 통과하는 동안 팽창된 저온, 저압의 냉매가 양면 냉각 칠러(125b)로 유입되면, 이어 냉매는 양면 냉각 칠러(125b)의 내부를 통과한 뒤 출구측 분기 냉매 라인(157a)을 통해 다시 냉매 라인(155)으로 배출된다.

또한, 전술한 바와 같이, 양면 냉각 칠러(125b)는 제2 냉각수 라인(127)의 제1 순환 라인(127a)과 제2 순환 라인(127b)에 설치된다. 이에 양면 냉각 칠러(125b)의 내부에는 전력전자 부품 중 제2 부품인 인버터(171,172)와 충전기-컨버터 통합 유닛(ICCU)(173)의 냉각을 위해 제1 순환 라인(127a)을 따라 순환하는 냉각수와, 전력전자 부품 중 제3 부품인 배터리(176)의 냉각을 위해 제2 순환 라인(127b)를 따라 순환하는 냉각수가 통과하도록 되어 있다.

결국, 양면 냉각 칠러(125b)의 내부를 통과하는 냉각수와 저온의 냉매 사이에 열교환이 이루어질 수 있고, 양면 냉각 칠러(125b)에서 냉매와의 열교환에 의해 냉각된 냉각수가 제1 순환 라인(127a)과 제2 순환 라인(127b)을 따라 순환될 수 있으며, 냉각된 냉각수에 의해 인버터(171,172)와 충전기-컨버터 통합 유닛(ICCU)(173), 배터리(176)이 냉각될 수 있다.

도 25 내지 도 26은 상기와 같이 구성되는 제4 실시예에 따른 열관리 시스템의 작동 상태를 나타내는 도면이다. 도면에서 굵은 실선은 냉각수의 흐름을 나타낸다. 도 25와 도 26은 배터리 웜업(warm-up) 시를 나타내는 도면으로, 도 25는 배터리 통합 웜업 시를, 도 26은 배터리 분리 웜업 시를 각각 나타낸다. 외기온이 낮은 조건(예, 외기온 0℃ 미만)에서는 도 25의 배터리 통합 웜업이나 도 26의 배터리 분리 웜업이 수행될 수 있다. 이러한 제4 실시예의 배터리 통합 웜업과 배터리 분리 웜업의 작동 상태는, 도 14 및 도 15를 참조로 설명한 제2 실시예의 배터리 통합 웜업과 배터리 분리 웜업의 작동 상태와 비교하여 차이가 없다. 이에 작동 상태에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 다만, 도 25와 도 26의 배터리 웜업 시 양면 냉각 칠러(125b)로 팽창된 냉매가 유입되지 않도록 제5 팽창밸브(152b)가 제어된다.

도 27은 외기온이 정해진 보통 온도 범위 이내인 조건(예, 0℃ ≤ 외기온 < 30℃)에서 배터리 통합 냉각이 이루어지는 상태를 나타내고 있다. 이러한 제4 실시예의 배터리 통합 냉각의 작동 상태는 도 16을 참조로 설명한 제2 실시예의 배터리 통합 냉각의 작동 상태와 비교하여 차이가 없다. 이에 작동 상태에 대한 설명은 생략하기로 한다.

도 28은 외기온이 정해진 고온 범위 이내로 높은 조건(예, 30℃ ≤ 외기온 < 45℃)일 때를 나타내며, 배터리 분리 냉각이 이루어지는 상태를 보여주고 있다. 이러한 제3 실시예의 배터리 분리 냉각 시 작동 상태는 도 17을 참조로 설명한 제2 실시예의 배터리 분리 냉각 시 작동 상태와 비교하여 차이가 없다.

즉, 제4 실시예의 배터리 분리 냉각 시에도, 도 22의 제3 실시예와 마찬가지로, 인버터(171,172) 및 충전기-컨버터 통합 유닛(173)과 배터리(176)가 제2 냉각 회로(120)에 의해 분리 냉각된다. 이때, 인버터(171,172) 및 충전기-컨버터 통합 유닛(173)은 제1 순환 라인(127a)을 따라 순환하는 냉각수에 의해 냉각되고, 배터리(176)는 제2 순환 라인(127b)을 따라 순환하는 냉각수에 의해 냉각된다.

다만, 도 22의 제3 실시예는, 각각의 칠러, 즉 배터리 냉각용 칠러(125)와 부품 냉각용 칠러(125a)에 의해, 제1 순환 라인(127a)을 따라 순환하는 냉각수와 제2 순환 라인(127b)을 따라 순환하는 냉각수가 각각 독립적으로 개별 냉각된다. 반면, 도 28의 제4 실시예에서는 제1 순환 라인(127a)의 냉각수와 제2 순환 라인(127b)의 냉각수가 통합형 칠러인 양면 냉각 칠러(125b)에 의해 동시에 냉각될 수 있다.

결국, 제1 순환 라인(127a)의 냉각수는 양면 냉각 칠러(125b)에 의해 냉각된 후, 제2 부품인 인버터(171,172) 및 충전기-컨버터 통합 유닛(173)을 통과하는 동안 이들 제2 부품을 차례로 냉각하게 된다. 이와 동시에, 제2 순환 라인(127b)을 따라 순환하는 냉각수 또한 양면 냉각 칠러(125b)에 의해 냉각된 후, 제3 부품인 배터리(176)를 통과하는 동안 배터리를 냉각하게 된다. 이때, 제2 전동식 워터펌프(122)와 제3 전동식 워터펌프(123)가 구동하여 제1 순환 라인(127a)과 제2 순환 라인(127b)에서 각각 냉각수가 순환되도록 하며, 압축기(144)가 구동되는 동시에, 팽창된 냉매가 양면 냉각 칠러(125b)로 유입될 수 있도록 제5 팽창밸브(152b)가 제어된다.

이와 동시에, 도 27의 경우와 마찬가지로, 모터(174,175)는 제1 냉각 회로(110)에 의해 냉각되고, 이때 제1 냉각수 라인(114)을 따라 순환하는 냉각수가 모터(174,175)를 냉각한 뒤 제1 라디에이터(113)를 통과하도록 순환되며, 제1 라디에이터(113)에서 냉각수가 열을 방출하게 된다. 이때, 제1 바이패스 라인(115)을 통해 냉각수가 흐르지 않도록 제3 밸브(116)가 제어된다.

또한, 외기온이 매우 높은 극악 조건, 즉 외기온이 상기 정해진 고온 범위보다 더 높은 극악 조건(예, 45℃ ≤ 외기온)일 때, 제4 실시예에서 제1 순환 라인(127a)을 순환하는 냉각수가 양면 냉각 칠러(125b)에 의해 냉각되고 있으므로, 제3 실시예의 극악 조건에서와 마찬가지로, 냉각수가 제2 라디에이터(124)를 통과하지 않고 바이패스되도록 제6 밸브(129b)가 제4 바이패스 라인(128b)측 유로를 개방하도록 제어된다.

한편, 본 발명에 따른 열관리 시스템에서 쿨링 모듈의 제1 라디에이터와 제2 라디에이터, 그리고 외부 응축기(146)의 배치 형태는 차량 조건이나 시스템 요구 조건에 따라 다양한 변형이 있을 수 있다.

도 30은 본 발명에 따른 열관리 시스템에서 쿨링 모듈의 다양한 변형예를 나타낸 것으로, 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 제1 및 제2 라디에이터(HTR,LTR)와 외부 응축기(COND)(146)가, 도 1의 비교예와 같이 3열로 배치되는 것이 아닌, 2열로 배치되는 것에 특징이 있다.

도 30에서 쿨링 모듈의 각 변형예를 도시함에 있어 냉방 모드 동안 수냉식 응축기의 역할을 하는 열교환기(158)를 함께 도시하였다. 혹서 지역에서는 에어컨 성능도 중요하기 때문에 도 30의 (a)에 나타낸 바와 같이 풀 페이스(full face) 타입의 공냉식 외부 응축기(146)와 수냉식 응축기의 역할을 하는 열교환기(158)를 조합하여 이용할 수 있다.

도 30의 (a)에서는 전방에 제1 라이에이터(HTR)와 제2 라디에이터(LTR)(124)를 배치하고 그 후방에 외부 응축기(COND)(146)를 배치한 예를 나타내고 있다. 도 9의 실시예에서는 상측에 제1 라디에이터(HTR)(113)가, 하측에 제2 라디에이터(LTR)(124)가 배치되고 있으나, 도 30의 (a)에서와 같이 상측에 제2 라디에이터(LTR)(124)가, 하측에 제1 라디에이터(HTR)(113)가 배치될 수도 있다.

이와 같이 본 발명에서는 혹서 지역에서 냉각 성능을 최우선으로 하여 라디에이터를 외부 응축기(COND)(146)의 전방에 배치하고, 라디에이터(LTR,HTR)를 상하로 배치하여 2열의 쿨링 모듈을 구성한다. 결국, 쿨링 모듈의 열 수를, 비교예와 같이 3열이 아닌, 2열로 함으로써 통기 저항을 최소화할 수 있고, 쿨링 모듈을 통해 유입되는 공기량을 증대시킬 수 있다.

도 9 내지 도 29, 그리고 도 30의 (a)와 같이 제1 라디에이터(HTR)(113)와 제2 라디에이터(LTR)(124)가 상하로 동일 열에 배치될 경우, 두 라디에이터의 면적 비율, 즉 두 라디에이터의 공기 통과 면적 비율은 1:1 외에도 냉각 성능을 고려하여 적절히 튜닝될 수 있다.

또한, 전기자동차에서 차량 전단의 공기가 유입되는 개구부, 예컨대 범퍼 개구부는 차량 하단에 집중되어 있는 것을 고려하여 도 30의 (a)와 같이 고온 냉각수가 유입되는 제1 라디에이터(HTR)(113)을 하측에 배치하는 것이 유리할 수 있다.

도 30의 (b)에 나타낸 변형예에서는, 쿨링 모듈을 2열로 구성하는 점은 동일하나, (a)의 변형예와 달리, 외부 응축기(COND)(146)를 전방에, 제1 라디에이터(HTR)(113) 및 제2 라디에이터(LTR)(124)를 후방에 위치시키고 있다. 도 24 내지 도 29에 도시된 제4 실시예에서는 양면 냉각 칠러(125b)의 성능이 중요한데, 이는 에어컨 성능이 중요하다는 의미이다. 또한, 외부 응축기(146)의 성능이 중요하다는 의미이다. 따라서, 외부 응축기(COND)(146)의 성능을 우선적으로 고려할 경우 풀 페이스 공냉식 외부 응축기를 라디에이터(HTR,LTR)의 전방에 배치하는 것이 시스템 성능에 있어 유리하다.

도 30의 (c)에 나타낸 변형예에서는, 쿨링 모듈을 2열로 구성하는 점은 동일하나, (a) 및 (b)의 변형예와 달리, 제2 라디에이터(LTR)(124)와 외부 응축기(COND)(146)를 전방에, 제1 라디에이터(HTR)(113)를 후방에 위치시키고 있다. 또한, 제2 라디에이터(LTR)(124)와 외부 응축기(COND)(146)는 상측과 하측에 각각 배치되고, 측면에서 보았을 때 상하 방향으로 동일 열에 배치된다. 제2 라디에이터(124)와 외부 응축기(146)의 면적 비율은 1:1 또는 사용 조건에 따라 적절히 튜닝될 수 있다. 또한, 도 30의 (c)에는 상측에 제2 라디에이터(124)가, 하측에 외부 응축기(146)가 배치되고 있으나, 그 반대로 배치될 수도 있다. 즉, 상측에 외부 응축기(146)가, 하측에 제2 라디에이터(124)가 배치될 수도 있다. 외부 응축기(146)는 (a) 및 (b)에서와 같이 풀 페이스 타입으로 전방 또는 후방 위치에 단독으로 배치될 수도 있으나, 수냉식 응축기의 역할을 하는 열교환기(158)에서 성능 마진(margin)이 있을 경우에는, 도 30의 (c)와 같이, 전방 또는 후방에서, 풀 페이스 타입이 아닌, 상측 또는 하측으로만 부분적으로 위치시킬 수 있다. 이때, 후방에 배치되는 제1 라디에이터(113)는 풀 페이스 타입인 것이 사용될 수 있다. 이를 통해 외부 응축기(146)의 비중을 줄이면서 제1 라디에이터의 냉각 성능을 보강할 수 있다.

도 30의 (d)에 나타낸 변형예에서는, 쿨링 모듈을 2열로 구성하는 점은 동일하나, (b)의 변형예와 마찬가지로 외부 응축기(COND)(146)를 전방에, 제1 라디에이터(HTR)(113) 및 제2 라디에이터(LTR)(124)를 후방에 위치시키고 있다. 이때, 수냉식 응축기의 역할을 하는 열교환기(158)에서 성능 마진이 있을 경우에는, 풀 페이스 타입이 아닌, 하측으로만 부분적으로 위치시킬 수 있다. 이를 통해 외부 응축기(146)의 크기를 줄여 경량화 및 비용 절감을 도모할 수 있다.

도 31은 본 발명의 열관리 시스템이 제공하는 효과를 설명하기 위한 도면이다. 도 1의 비교예에서는 모터(174,175)와 인버터(171,172), 충전기 및 컨버터(173)를 모두, 제1 라디에이터(113)를 포함하는 제1 냉각 회로(110)를 이용하여 냉각하고, 배터리(176)만 제2 라디에이터(124)를 포함하는 제2 냉각 회로(120)를 이용하여 냉각하였다. 그러나 본 발명에서는 모터(173,174)만을 제1 라디에이터(HTR)(113)를 포함하는 제1 냉각 회로(110)에 의해 냉각되도록 하고, 배터리(176)와 인버터(171,172), 충전기 및 컨버터(173)는 묶어서 모두 제2 라디에이터(LTR)(124)를 포함하는 제2 냉각 회로(120)에 의해 냉각되도록 한다.

또한, 본 발명에서는 상하로 배치되는 제1 라디에이터(HTR)(113)와 제2 라디에이터(LTR)(124)를 외부 응축기(146)의 전방에 위치시킴으로써 차가운 외기가 외부 응축기(146) 등 다른 방열기를 거치지 않고 바로 제1 라디에이터(113)와 제2 라디에이터(124)로 유입될 수 있다. 이 경우 차가운 외기가 제1 라디에이터(113) 및 제2 라디에이터(124)로 바로 유입되어 열교환을 하므로 제1 라디에이터(113)와 제2 라디에이터(124)의 열교환 효율이 향상될 수 있고, 결국 라디에이터의 사이즈를 축소하는 것이 가능해진다.

도 31을 참조하여 설명하면, 제2 라디에이터(LTR)에 유입되는 공기의 온도, 즉 제2 라디에이터 입구 공기온과, 제2 냉각수 라인을 통해 제2 라디에이터의 입구로 유입되는 제2 라디에이터 입구 냉각수온의 온도차(△T)는, 도 31의 예에서 25℃이다. 또한, 제1 라디에이터(HTR)에 유입되는 공기의 온도, 즉 제1 라디에이터 입구 공기온과, 제1 냉각수 라인을 통해 제1 라디에이터의 입구로 유입되는 제1 라디에이터 입구 냉각수온의 온도차(△T)는, 도 31의 예에서 55℃이다. 이러한 온도차는 도 7 및 도 8의 비교예에서 구해지고 있는 온도차에 비해 크고, 이는 본 발명에서 제1 라디에이터 및 제2 라디에이터의 열교환 효율이 향상됨을 의미한다.

결국, 본 발명에 따르면 부품 사양의 추가나 증가 없이 혹서 지역에 특화된 냉각 성능을 발휘할 수 있는 열관리 시스템을 제공하는 것이 가능해진다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

110 : 제1 냉각 회로 111 : 제1 리저버 탱크
112 : 제1 전동식 워터펌프 113 : 제1 라디에이터
114 : 제1 냉각수 라인 115 : 제1 바이패스 라인
116 : 제3 밸브
120 : 제2 냉각 회로 121 : 제2 리저버 탱크
122 : 제2 전동식 워터펌프 123 : 제3 전동식 워터펌프
124 : 제2 라디에이터 125 : 배터리 냉각용 칠러
125a : 부품 냉각용 칠러 125b : 양면 냉각 칠러
126 : 냉각수 히터 127 : 제2 냉각수 라인
127a : 제1 순환 라인 127b : 제2 순환 라인
128 : 제2 바이패스 라인 128a : 제3 바이패스 라인
128b : 제4 바이패스 라인 129 : 제4 밸브
129a : 제5 밸브 129b : 제6 밸브
130 : 쿨링팬
140 : 에어컨 시스템 141 : 공조 케이스
142 : 내부 히터 143 : 개폐 도어
144 : 압축기 145 : 내부 응축기
146 : 외부 응축기 147 : 제1 팽창밸브
151 : 제2 팽창밸브 152 : 제3 팽창밸브
152a : 제4 팽창밸브 152b : 제5 팽창밸브
153 : 증발기 154 : 어큐뮬레이터
155 : 냉매 라인 156, 156a : 입구측 분기 냉매 라인
157, 157a : 출구측 분기 냉매 라인 158 : 열교환기
159 : 제2 밸브
160 : 연결 라인 161 : 제습 라인
162 : 제1 밸브
171 : 전륜 인버터 172 : 후륜 인버터
173 : 충전기 및 저전압 DC-DC 컨버터, 또는 충전기-컨버터 통합 유닛(ICCU)
174 : 후륜 모터 175 : 전륜 모터
176 : 배터리

Claims

압축기, 외부 응축기, 제1 팽창밸브, 증발기를 포함하는 에어컨 시스템, 및 라디에이터와 전동식 워터펌프를 포함하고 냉각수를 이용하여 전력전자 부품을 냉각하는 수냉식 냉각 시스템을 포함하는 전기자동차의 열관리 시스템에 있어서,
상기 수냉식 냉각 시스템은, 전력전자 부품 중 제1 부품을 냉각하기 위해 제1 라디에이터를 포함하여 구성되는 제1 냉각 회로, 및 상기 전력전자 부품 중 나머지 부품을 냉각하기 위해 제2 라디에이터를 포함하여 구성되는 제2 냉각 회로를 포함하고,
상기 제2 냉각 회로에서 냉각수가 순환하는 냉각수 라인에는, 각각 상기 제2 라디에이터의 전단측 냉각수 라인과 후단측 냉각수 라인을 서로 연결하는 제2 바이패스 라인과 제3 바이패스 라인이 설치되며,
상기 제2 냉각 회로의 냉각수 라인에서 상기 제2 바이패스 라인과 제3 바이패스 라인이 분기되는 각 분기점에는 3-웨이 밸브인 제4 밸브와 제5 밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 열관리 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 제2 냉각 회로의 냉각수 라인은,
제2 라디에이터와 제2 전동식 워터펌프, 상기 나머지 부품 중 제2 부품 사이를 연결하는 냉각수 라인과 상기 제3 바이패스 라인을 포함하여 구성되는 제1 순환 라인, 및
상기 나머지 부품 중 제3 부품과 제3 전동식 워터펌프 사이를 연결하는 냉각수 라인과 상기 제2 바이패스 라인을 포함하여 구성되는 제2 순환 라인으로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 열관리 시스템.
청구항 2에 있어서,
상기 제2 순환 라인에는,
상기 제3 부품의 냉각을 위해,
상기 에어컨 시스템의 냉매 라인으로부터 분기 냉매 라인을 통해 분배된 냉매와, 상기 제2 순환 라인을 따라 순환하는 냉각수를 통과시켜, 상기 냉매에 의한 냉각수의 냉각을 수행하는 제3 부품 냉각용 칠러를 구비한 것을 특징으로 하는 전기자동차의 열관리 시스템.
청구항 3에 있어서,
상기 제3 부품 냉각용 칠러에서 상기 분배된 냉매가 유입되는 입구 또는 상기 입구에 연결된 분기 냉매 라인에는, 상기 분배된 냉매를 팽창시켜 제3 부품 냉각용 칠러에 유입되도록 하는 팽창밸브가 설치된 것을 특징으로 하는 전기자동차의 열관리 시스템.
청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
상기 제2 순환 라인에는,
상기 제2 순환 라인의 냉각수를 가열하는 제3 부품 웜업용 냉각수 히터가 설치되는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 열관리 시스템.
청구항 2에 있어서,
상기 제2 라디에이터를 통과한 냉각수가, 상기 제2 부품을 통과한 뒤, 상기 제5 밸브를 거쳐 제3 바이패스 라인을 통과하거나, 제2 순환 라인에 설치된 제3 부품을 통과하도록,
상기 제1 순환 라인에서 제2 부품은,
상기 제2 라디에이터와, 상기 제2 라디에이터 후단측 냉각수 라인에서 제3 바이패스 라인이 분기된 분기점 사이의 냉각수 라인에 설치되는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 열관리 시스템.
청구항 2에 있어서,
상기 제2 라디에이터에서 냉각된 냉각수가, 상기 제5 밸브를 거쳐 제3 바이패스 라인을 통과하거나, 제2 순환라인에 설치된 제3 부품을 통과한 뒤, 상기 제2 부품을 통과하도록,
상기 제1 순환 라인에서 제2 부품은,
상기 제2 라디에이터와, 상기 제2 라디에이터 전단측 냉각수 라인에서 제3 바이패스 라인이 분기된 분기점 사이의 냉각수 라인에 설치되는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 열관리 시스템.
청구항 7에 있어서,
상기 제1 순환 라인에서 상기 제2 라디에이터의 전단측 냉각수 라인과 후단측 냉각수 라인을 서로 연결하는 제4 바이패스 라인이 더 설치되고,
상기 제2 라디에이터의 전단측 냉각수 라인에서 상기 제4 바이패스 라인이 분기되는 분기점에 3-웨이 밸브인 제6 밸브가 설치되며,
상기 제6 밸브가 설치되는 제4 바이패스 라인의 분기점은 제2 라디에이터와 제2 부품 사이 냉각수 라인에 위치되는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 열관리 시스템.
청구항 2 또는 청구항 7에 있어서,
상기 제1 순환 라인에는,
상기 제2 부품의 냉각을 위해,
상기 에어컨 시스템의 냉매 라인으로부터 분기 냉매 라인을 통해 분배된 냉매와, 상기 제1 순환 라인을 따라 순환하는 냉각수를 통과시켜, 상기 냉매에 의한 냉각수의 냉각을 수행하는 부품 냉각용 칠러를 구비한 것을 특징으로 하는 전기자동차의 열관리 시스템.
청구항 9에 있어서,
상기 부품 냉각용 칠러는 제3 바이패스 라인에 설치되는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 열관리 시스템.
청구항 9에 있어서,
상기 부품 냉각용 칠러에서 상기 분배된 냉매가 유입되는 입구 또는 상기 입구에 연결된 분기 냉매 라인에는, 상기 분배된 냉매를 팽창시켜 부품 냉각용 칠러에 유입되도록 하는 팽창밸브가 설치된 것을 특징으로 하는 전기자동차의 열관리 시스템.
청구항 2 또는 청구항 7에 있어서,
상기 제2 바이패스 라인과 제3 바이패스 라인에 하나의 통합형 칠러인 양면 냉각 칠러가 설치되고,
상기 양면 냉각 칠러는,
상기 제2 부품 및 제3 부품의 냉각을 위해,
상기 에어컨 시스템의 냉매 라인으로부터 분기 냉매 라인을 통해 분배된 냉매와, 상기 제1 순환 라인을 따라 순환하는 냉각수를 통과시켜, 상기 냉매에 의한 냉각수의 냉각을 수행하도록 구비된 것을 특징으로 하는 전기자동차의 열관리 시스템.
청구항 12에 있어서,
상기 양면 냉각 칠러에서 상기 분배된 냉매가 유입되는 입구 또는 상기 입구에 연결된 분기 냉매 라인에는, 상기 분배된 냉매를 팽창시켜 양면 냉각 칠러에 유입되도록 하는 팽창밸브가 설치된 것을 특징으로 하는 전기자동차의 열관리 시스템.
청구항 2에 있어서,
상기 제2 부품은 인버터, 배터리 충전을 위한 충전기 및 DC-DC 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 열관리 시스템.
청구항 2에 있어서,
상기 제3 부품은 배터리인 것을 특징으로 하는 전기자동차의 열관리 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 부품은 차량을 구동하는 구동모터인 것을 특징으로 하는 전기자동차의 열관리 시스템.
청구항 1에 있어서,
차량 전단부에 쿨링 모듈이 설치되고,
상기 쿨링 모듈은 에어컨 시스템의 외부 응축기와 상기 수냉식 냉각 시스템의 제1 라디에이터 및 제2 라디에이터를 포함하며,
상기 쿨링 모듈에서 전방에 제1 라디에이터 및 제2 라디에이터가, 후방에 외부 응축기가 배치되고,
상기 제1 라디에이터와 제2 라디에이터가 동일한 열에 상측과 하측에 위치하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 열관리 시스템.
청구항 17에 있어서,
상기 제1 라디에이터가 하측에, 상기 제2 라디에이터가 상측에 위치하도록 배치되어, 범퍼 개구부를 통해 쿨링 모듈의 하측으로 유입된 외기가 제1 라디에이터를 통과하는 동시에, 상기 범퍼 개구부를 통해 유입된 뒤 상측으로 유동한 외기가 상기 제2 라디에이터를 통과하도록 된 것을 특징으로 하는 전기자동차의 열관리 시스템.
청구항 1에 있어서,
차량 전단부에 쿨링 모듈이 설치되고,
상기 쿨링 모듈은 에어컨 시스템의 외부 응축기와 상기 수냉식 냉각 시스템의 제1 라디에이터 및 제2 라디에이터를 포함하며,
상기 쿨링 모듈에서 전방에 제2 라디에이터와 외부 응축기가, 후방에 제1 라디에이터가 배치되고,
상기 제2 라디에이터와 외부 응축기가 동일한 열에 상측과 하측에 위치하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 열관리 시스템.
청구항 19에 있어서,
상기 후방에 배치되는 제1 라디에이터는 쿨링 모듈에서의 공기 통과 영역 전체에 걸쳐 배치되는 풀 페이스 타입의 라디이에이터인 것을 특징으로 하는 전기자동차의 열관리 시스템.