KR20220056920A - 전기차량용 공조장치 및 이를 이용한 전기차량용 공조시스템 - Google Patents

전기차량용 공조장치 및 이를 이용한 전기차량용 공조시스템 Download PDF

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신기영
한승식
권동호
김명회
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명에서는 HVAC과 공조시스템의 쿨링영역을 통합하여 냉매 유로가 축소되고, 히트펌프가 활용되어 낸난방 성능이 확보되는 전기차량용 공조장치 및 이를 이용한 전기차량용 공조시스템이 소개된다.

Description

전기차량용 공조장치 및 이를 이용한 전기차량용 공조시스템 {AIR CONDITIONER DEVICE FOR ELECTRIC MOTOR VEHICLE AND AIR CONDITIONER SYSTEM FOR ELECTRIC MOTOR VEHICLE USING THE SAME}
본 발명은 HVAC과 공조시스템의 쿨링영역을 통합하여 냉매 유로가 축소되고, 냉난방 성능이 확보되는 전기차량용 공조장치 및 이를 이용한 전기차량용 공조시스템에 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 친환경 자동차로 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 배터리 모듈 온도조절을 위한 냉난방 시스템을 차량 실내 공조를 위한 냉난방 시스템과는 별도로 운용하는 기술이 사용되고 있다.
여기서, 차량 실내 공조를 위한 공조시스템의 경우 주행거리 증대를 위해 난방 에너지 소모를 최소화하기 위한 히트펌프 기술이 적용되어, 에너지 소모량을 최소화한다. 그러나 공조시스템의 구성은 차량의 외부에 별도로 존재함에 따라, 별도의 덕트 연결이 요구되고, 냉매라인도 증대되어 냉매 요구량이 증가되는 문제가 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2008-0092527 A (2008.10.16)
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, HVAC과 공조시스템의 쿨링영역을 통합하여 냉매 유로가 축소되고, 냉난방 성능이 확보되는 전기차량용 공조장치 및 이를 이용한 전기차량용 공조시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전기차량용 공조장치는 차량 언더바디 하부에 설치되고, 상부의 토출구를 통해 실내와 연통되어 공조공기가 순환되는 공조케이스; 공조케이스의 내부에 마련되고, 내기와 외기의 온도를 조절하여 실내에 공조공기를 제공하는 HVAC모듈; 및 공조케이스의 내부에서 HVAC모듈의 하측에 마련되고, HVAC모듈의 냉난방 여부에 따라 HVAC모듈과 열교환되는 열교환모듈;을 포함한다.
공조케이스는 내기와 외기가 순환되는 제1영역과, 제1영역으로부터 내기와 외기를 공급받고 실내와 연결되며 HVAC모듈이 마련되는 제2영역과, 전장부품을 순환한 공기 및 외기가 순환되고 열교환모듈이 마련되는 제3영역으로 구획된 것을 특징으로 한다.
공조케이스에는 제1영역과 제3영역으로 동시에 공기를 송풍하는 송풍기가 마련되고, HVAC모듈은 제1영역에 구비되어 내기와 외기의 유통량을 조절하는 공조기, 제2영역에 마련되는 증발기 및 히터기를 포함하며, 열교환모듈은 증발기에 순환되는 냉매가 공유되는 실내열교환기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
실내에 냉각공기 제공시, 공조기를 통해 제1영역에 내기가 유입되도록 하고, 제2영역에서 내기가 증발기에 의해 냉각되도록 하며, 제3영역에는 외기가 송풍기에 의해 실내열교환기로 전달되는 것을 특징으로 한다.
실내에 난방공기 제공시, 공조기를 통해 제1영역에 내기와 외기가 유입되도록 하고, 제2영역에서 내외기가 히터기에 의해 가열되도록 하며, 제3영역에는 외기와 전장부품을 순환한 공기가 송풍기에 의해 실내열교환기로 전달되는 것을 특징으로 한다.
공조케이스는 제1영역과 제2영역이 측방으로 구획 배치되고, 제3영역이 제2영역의 하방에 구획 배치된 것을 특징으로 한다.
공조케이스의 제1영역에는 내기가 유입되는 내기유입구와 외기가 유입되는 제1외기유입구가 형성되고, 공조기는 내기와 외기의 유통량을 조절하는 제1조절도어와 제1조절도어를 통과한 내기와 외기가 제2영역으로 유통되도록 하는 블로워로 구성된 것을 특징으로 한다.
제2영역에는 공기가 유통되는 방향으로 증발기와 히터기가 배치되고, 히터기의 후방으로 전기히터가 더 포함된 것을 특징으로 한다.
제2영역은 제1영역에서 전달된 공기가 히터기 및 전기히터를 통과하지 않고 바이패스되는 제1유통로와, 제1영역에서 전달된 공기가 히터기 및 전기히터를 통과하는 제2유통로로 구획된 것을 특징으로 한다.
제2영역에는 제1유통로를 개폐 조절하는 제2조절도어가 구비된 것을 특징으로 한다.
제2영역에는 제2유통로를 개폐 조절하는 제3조절도어가 구비된 것을 특징으로 한다.
공조케이스의 제3영역에는 전장부품을 순환한 공기가 유입되는 PE룸유입구와 외기가 유입되는 제2외기유입구가 형성되고, PE룸유입구와 제2외기유입구의 개도량을 조절하는 제4조절도어가 구비된 것을 특징으로 한다.
공조케이스에는 제2영역과 제3영역이 개통되어 공기가 제2영역에서 제3영역으로 유통되는 개통구가 형성되고, 개통구에는 개통구의 개폐를 조절하는 제5조절도어가 구비된 것을 특징으로 한다.
공조케이스에는 증발기에서 생성된 응축수를 포집하여 응축수가 실내열교환기측으로 이동되도록 하는 가이드경로가 구비된 것을 특징으로 한다.
공조케이스는 제1영역과 제2영역이 측방으로 구획 배치되고, 제3영역이 제2영역의 전방 또는 후방에 구획 배치된 것을 특징으로
한편, 청구항 1의 전기차량용 공조장치에 따른 전기차량용 공조시스템에 있어서, 냉매가 순환되고, 압축기, 열교환모듈의 실내열교환기, 팽창기구, HAVC모듈의 증발기가 구성되는 냉매라인; 냉각수가 순환되고, 제1워터펌프, HAVC모듈의 히터기가 구성되는 히팅라인; 냉각수가 순환되고, 제2워터펌프, 실외열교환기, PE모듈이 구성되는 전장라인; 냉각수가 순환되고, 제3워터펌프, 배터리모듈이 구성되는 배터리라인; 냉매라인과 히팅라인에 연결되어 냉매라인의 냉매와 히팅라인의 냉각수 간에 열교환되도록 하는 제1열교환기; 및 전장라인과 배터리라인에 연결되어 전장라인의 냉각수와 배터리라인의 냉각수 간에 열교환되도록 하는 제2열교환기;를 포함한다.
냉매라인은 압축기에서 제1열교환기, 제1팽창기구를 지나 실내열교환기에 연결되는 제1냉매라인, 실내열교환기에서 제2팽창기구, 제3열교환기를 지나 압축기에 연결되는 제2냉매라인, 제2냉매라인에서 분기되어 제3팽창기구, 증발기를 지나 압축기에 연결되는 제3냉매라인으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
히팅라인과 전장라인은 제1멀티웨이밸브를 매개로 연결되고, 전장라인과 배터리라인은 제2멀티웨이밸브를 매개로 연결된 것을 특징으로 한다.
전장라인은 제1멀티웨이밸브에서 실외열교환기, 제2워터펌프, PE모듈을 지나 제1멀티웨이밸브로 순환되는 제1전장라인과, 제1전장라인에서 분기되어 제2열교환기를 지나 제1전장라인으로 복귀되는 제2전장라인으로 이루어지고, 제2전장라인이 제1전장라인으로부터 분기되는 지점에는 제3멀티웨이밸브가 마련된 것을 특징으로 한다.
히팅라인에는 히터기의 전방에서 분기되는 바이패스라인이 더 연장되고, 바이패스라인에 제4멀티웨이밸브가 마련된 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 전기차량용 공조장치 및 이를 이용한 전기차량용 공조시스템은 HVAC과 공조시스템의 쿨링영역을 통합하여 냉매 유로가 축소되고, 히트펌프가 활용되어 낸난방 성능이 확보된다.
도 1은 본 발명에 따른 전기자동차에 공조케이스 적용을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따른 전기차량용 공조장치의 공조케이스를 나타낸 도면.
도 3은 도 2에 도시된 전기차량용 공조장치의 제1영역을 나타낸 도면.
도 4는 도 2에 도시된 전기차량용 공조장치의 제2영역 및 제3영역을 나타낸 도면.
도 5는 도 2에 도시된 전기차량용 공조장치의 냉방 동작을 설명하기 위한 도면.
도 6은 도 2에 도시된 전기차량용 공조장치의 난방 동작을 설명하기 위한 도면.
도 7은 본 발명에 따른 전기차량용 공조장치의 다른 실시예를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명에 따른 전기차량용 공조시스템의 회로도.
도 9는 도 8에 도시된 전기차량용 공조시스템의 냉방 동작을 설명하기 위한 도면.
도 10은 도 8에 도시된 전기차량용 공조시스템의 난방 동작을 설명하기 위한 도면.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전기차량용 공조장치 및 이를 이용한 전기차량용 공조시스템에 대하여 살펴본다.
도 1은 본 발명에 따른 전기자동차에 공조케이스 적용을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 전기차량용 공조장치의 공조케이스를 나타낸 도면이며, 도 3은 도 2에 도시된 전기차량용 공조장치의 제1영역을 나타낸 도면이고, 도 4는 도 2에 도시된 전기차량용 공조장치의 제2영역 및 제3영역을 나타낸 도면이며, 도 5는 도 2에 도시된 전기차량용 공조장치의 냉방 동작을 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 도 2에 도시된 전기차량용 공조장치의 난방 동작을 설명하기 위한 도면이며, 도 7은 본 발명에 따른 전기차량용 공조장치의 다른 실시예를 나타낸 도면이고, 도 8은 본 발명에 따른 전기차량용 공조시스템의 회로도이며, 도 9는 도 8에 도시된 전기차량용 공조시스템의 냉방 동작을 설명하기 위한 도면이고, 도 10은 도 8에 도시된 전기차량용 공조시스템의 난방 동작을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 따른 전기차량용 공조장치는 도 1 내지 3에 도시된 바와 같이, 차량 언더바디(U1) 하부에 설치되고, 상부가 실내와 연결되어 공기가 순환되는 공조케이스(100); 공조케이스(100)의 내부에 마련되고, 내기와 외기의 온도를 조절하여 실내에 공조공기를 제공하는 HVAC모듈(200); 및 공조케이스(100)의 내부에서 HVAC모듈(200)의 하측에 마련되고, HVAC모듈(200)의 냉난방 여부에 따라 HVAC모듈(200)과 열교환되는 열교환모듈(300);을 포함한다.
이렇게, 공조케이스(100)에는 난방공기 또는 냉방공기를 형성하는 HVAC모듈(200)과 열교환모듈(300)이 구성되어, HVAC모듈(200)을 통해 냉방공기 또는 난방공기를 형성하여 실내에 제공하고, 열교환모듈(300)을 통해 공조시 히트펌프 효율을 확보한다. 이러한 공조케이스(100)는 차량 언더바디(U1)의 하부에 설치되고, 상부가 실내와 연결되어 실내와 공조케이스(100) 내부가 HVAC모듈(200)을 통해 공조된 공기가 실내로 제공될 수 있다. 즉, 미래형 자동차의 경우 실내 공간을 최대한 확보해야 하고, 공조장치의 설치 공간도 축소되어야 하는바, 차량 언더바디(U1)에 공조케이스(100)가 마련되도록 한다. 특히, 공조케이스(100) 내부에는 HVAC모듈(200)과 열교환모듈(300)이 마련됨에 따라 냉매라인이 축소되고 전체 크기가 축소된다.
여기서, 공조케이스(100)는 내기와 외기가 순환되는 제1영역(110)과, 제1영역(110)으로부터 내기와 외기를 공급받고 실내와 연결되며 HVAC모듈(200)이 마련되는 제2영역(120)과, 전장부품을 순환한 공기 및 외기가 순환되고 열교환모듈(300)이 마련되는 제3영역(130)으로 구획된다.
또한, 공조케이스(100)에는 제1영역(110)과 제3영역(130)으로 동시에 공기를 송풍하는 송풍기(140)가 마련된다. HVAC모듈(200)은 제1영역(110)에 구비되어 내기와 외기의 유통량을 조절하는 공조기(210), 제2영역(120)에 마련되는 증발기(213) 및 히터기(214)를 포함하며, 열교환모듈(30)은 증발기(213)에 순환되는 냉매가 공유되는 실내열교환기(310)를 포함한다.
이처럼, 공조케이스(100)에는 난방공기 또는 냉방공기를 형성하는 HVAC모듈(200)과 열교환모듈(300)이 함께 구성되며, HVAC모듈(200)과 열교환모듈(300)을 이루는 각 구성들이 제1영역(110), 제2영역(120), 제3영역(130)으로 분산 배치된다. 공조케이스(100) 내부에서 제1영역(110), 제2영역(120), 제3영역(130)은 각각 격벽에 의해 구획되며, 제1영역(110)의 경우 내기와 외기가 유통되고, 제2영역(120)은 냉방공기 또는 난방공기를 형성하여 실내공간으로 제공하며, 제3영역(130)은 공조모듈의 히트펌프 효율을 확보하기 위한 공간으로 작용된다.
이러한 공조케이스(100)의 내부에는 공조기(210)가 제1영역(110)에 마련되고, 증발기(213) 및 히터기(214)가 제2영역(120)에 마련되며, 실내열교환기(310)가 제3영역(130)에 마련된다. 이로 인해, 공조케이스(100)의 제1영역(110)에서는 공조기(210)를 통해 내기와 외기가 선택적으로 조절되어 유통되고, 제2영역(120)에서 냉방 또는 난방 여부에 따라 증발기(213) 또는 히터기(214)가 동작되어 냉/난방공기를 형성할 수 있다. 여기서, 제2영역(120)에는 언더바디(U1)와 어퍼바디(U2)를 개통하는 토출구(126)를 통해 제2영역(120)의 공조공기가 실내로 제공될 수 있다. 이와 더불어, 제3영역(130)에서는 실내열교환기(310)가 냉방 또는 난방 여부에 따라 냉매를 응축하거나 팽창시킴으로써, 히트펌프 효율이 확보되도록 한다. 즉, 증발기(213)와 실내열교환기(310)는 냉매가 순환되고, 히터기(214)에는 냉각수가 순환되며, 냉매와 냉각수의 열교환을 통해 히트펌프가 구현될 수 있다. 이러한 증발기(213), 실내열교환기(310) 및 히터기(214) 외의 압축기(10), 열교환기, 팽창기구로 이루어지는 히트 펌프 시스템은 하기에 다시 설명하도록 한다.
즉, 본 발명은 실내에 냉각공기 제공시, 도 5에 도시된 바와 같이, 공조기(210)를 통해 제1영역(110)에 내기가 유입되도록 하고, 제2영역(120)에서 내기가 증발기(213)에 의해 냉각되도록 하며, 제3영역(130)에는 외기가 송풍기(140)에 의해 실내열교환기(310)로 전달되도록 한다. 이렇게, 실내의 냉방을 수행할 경우, 내기순환모드로서 공조기(210)를 통해 제1영역(110)에 내기가 유입되도록 하고, 증발기(213)를 통해 제2영역(120)에서 냉각공기가 형성되도록 함으로써, 실내에 냉각공기가 제공되도록 한다. 여기서, 실내열교환기(310)는 냉매의 응축을 수행하고, 제3영역(130)에서 송풍기(140)에 의해 응축 효율이 향상된다.
한편, 실내에 난방공기 제공시, 도 6에 도시된 바와 같이, 공조기(210)를 통해 제1영역(110)에 내기와 외기가 유입되도록 하고, 제2영역(120)에서 내외기가 히터기(214)에 의해 가열되도록 하며, 제3영역(130)에는 외기와 전장부품을 순환한 공기가 송풍기(140)에 의해 실내열교환기(310)로 전달되도록 한다. 이렇게, 실내의 난방을 수행할 경우, 공조기(210)를 통해 제1영역(110)에 내기와 외기가 유입되도록 하고, 히터기(214)를 통해 제2영역(120)에서 난방공기가 형성되도록 함으로써, 실내에 난방공기가 제공되도록 한다. 이때, 증발기(213)는 냉매의 팽창이 미수행됨에 따라 냉각공기가 형성되지 않고, 실내열교환기(310)는 냉매의 팽창을 수행함에 따른 흡열을 통해 히터기(214)에 전달되는 열이 확보되도록 한다.
이처럼, 본 발명은 공조케이스(100) 내부에 HVAC모듈(200)과 열교환모듈(300)의 일부 구성이 포함됨에 따라 전체 크기가 축소되고, 그에 따라 냉매라인이 축소된다. 또한, 실내를 냉방 또는 난방할 수 있으며, 히트펌프를 통해 난방 효율이 증대된다.
상술한 본 발명에 대해서 구체적으로 설명하면 하기와 같다.
도 3 내지 4에서 볼 수 있듯이, 공조케이스(100)는 제1영역(110)과 제2영역(120)이 측방으로 구획 배치되고, 제3영역(130)이 제2영역(120)의 하방에 구획 배치될 수 있다. 이렇게, 공조케이스(100)는 제1영역(110)과 제2영역(120)이 측방으로 배치됨에 따라 제1영역(110)에서 제2영역(120)으로 유통되는 공기 흐름의 이동경를 짧게 구성할 수 있다. 또한, 제3영역(130)의 경우 제2영역(120)의 하방에 배치됨에 따라 실내열교환기(310)와 증발기(213) 간의 거리가 짧아져 실내열교환기(310)와 증발기(213) 간의 냉매라인이 축소된다. 이와 더불어, 제2영역(120)의 증발기(213)가 제3영역(130)의 실내열교환기(310)보다 상방에 위치됨으로써, 증발기(213)를 통한 냉각공기 형성시 발생되는 응축수가 하측의 실내열교환기(310)로 전달되어 응축수에 의한 실내열교환기(310)의 방열 성능이 추가 확보되도록 한다.
한편, 공조케이스(100)의 제1영역(110)에는 내기가 유입되는 내기유입구(111)와 외기가 유입되는 제1외기유입구(112)가 형성되고, 공조기(210)는 내기와 외기의 유통량을 조절하는 제1조절도어(211)와 제1조절도어(211)를 통과한 내기와 외기가 제2영역(120)으로 유통되도록 하는 블로워(212)로 구성된다. 즉, 제1영역(110)에서 내기유입구(111)는 언더바디(U1)에서 어퍼바디(U2)측으로 실내와 연통되어 차량 실내의 공기가 유입되는 부분이고, 제1외기유입구(112)는 실외의 외기가 유입되는 부분이다. 여기서, 내기유입구(111)와 제1외기유입구(112)는 제1조절도어(211)에 의해 내기와 외기의 유통량이 조절되며, 블로워(212)의 동작에 의해 내기와 외기가 제2영역(120)으로 유통된다. 이러한 공조기(210)에는 내기 또는 외기 내의 불순물을 필터링하는 필터(F)가 더 마련될 수 있다.
한편, 제2영역(120)에는 공기가 유통되는 방향으로 증발기(213)와 히터기(214)가 배치되고, 히터기(214)의 후방으로 전기히터(215)가 더 포함될 수 있다. 즉, 제1영역(110)을 통해 유통된 내기와 외기는 제2영역(120)에서 증발기(213)와 히터기(214)를 통과하여 실내로 유통된다. 특히, 히터기(214)의 후방으로 전기히터(215)가 더 구비됨으로써, 실내의 난방공기 제공시 히터기(214)만으로 부족한 열원을 전기히터(215)가 부가하여 실내에서 요구하는 난방공기를 제공할 수 있다. 전기히터(215)는 PTC히터로 구성될 수 있다.
여기서, 제2영역(120)은 제1영역(110)에서 전달된 공기가 히터기(214) 및 전기히터(215)를 통과하지 않고 바이패스되는 제1유통로(121)와, 제1영역(110)에서 전달된 공기가 히터기(214) 및 전기히터(215)를 통과하는 제2유통로(122)로 구획된다. 또한, 제2영역(120)에는 제1유통로(121)를 개폐 조절하는 제2조절도어(123)와, 제2유통로(122)를 개폐 조절하는 제3조절도어(124)가 구비된다.
이처럼, 제2영역(120)은 제1유통로(121)와 제2유통로(122)로 구획되며, 제1유통로(121)는 제2조절도어(123)에 의해 개도량이 조절되고 제2유통로(122)는 제3조절도어(124)를 통해 개도량이 조절된다. 즉, 제1유통로(121)의 경우 실내에 냉방공기를 제공시 추가 풍량을 확보하기 위한 것으로, 증발기(213)를 통과 후 실내로 유통되는 공기의 일부가 제1유통로(121)를 통해 바로 실내로 유통됨으로써, 냉방공기를 확보할 수 있다. 이렇게, 실내에 냉방공기를 제공하는 경우 제2조절도어(123)는 개방될 수 있다.
제2유통로(122)의 경우 제1영역(110)에서 전달된 공기가 히터기(214) 및 전기히터(215)를 통과하는 곳으로서, 제3조절도어(124)에 의해 선택적으로 제2유통로(122)의 개도량이 조절된다. 이를 통해, 실내에 냉방공기를 제공시, 제3조절도어(124)가 폐쇄되도록 하여 증발기(213)를 통과한 냉각공기가 제1유통로(121)로 전부 유통되도록 하여 풍량을 확보할 수 있다. 한편, 실내에 난방공기를 제공시 제3조절도어(124)가 제2유통로(122)를 개방하고, 제2조절도어(123)가 제1유통로(121)를 폐쇄하도록 하여, 제2영역(120)에서 공기가 히터기(214) 및 전기히터(215)를 통과하도록 할 수 있다. 이러한 제2조절도어(123)와 제3조절도어(124)는 어느 하나가 선택적으로 적용될 수 있으며, 모두 구성될 수도 있다.
한편, 공조케이스(100)의 제3영역(130)에는 전장부품을 순환한 공기가 유입되는 PE룸유입구(131)와 외기가 유입되는 제2외기유입구(132)가 형성되고, PE룸유입구(131)와 제2외기유입구(132)의 개도량을 조절하는 제4조절도어(133)가 구비될 수 있다.
즉, 제3영역(130)에서 PE룸유입구(131)는 다양한 전장부품에 의해 가열된 공기가 유입되는 부분이고, 제2외기유입구(132)는 실외의 외기가 유입되는 부분이다. 여기서, PE룸유입구(131)와 제2외기유입구(132)는 제4조절도어(133)에 의해 전장부품을 순환한 공기와 외기의 유통량이 조절되며, 송풍기(140)에 의해 각 공기가 유통될 수 있다. 이렇게, PE룸유입구(131)를 통해 전장부품을 순환한 가열 공기가 유통됨으로써, 실내 난방시 전장부품을 순환한 가열된 공기가 실내열교환기(310)에 공급되어 실내열교환기(310)의 흡열량이 증대될 수 있다. 이로 인해, 히트펌프 시스템에 따른 히터기(214)의 난방성능이 향상된다.
한편, 공조케이스(100)에는 제2영역(120)과 제3영역(130)이 개통되어 공기가 제2영역(120)에서 제3영역(130)으로 유통되는 개통구(134)가 형성되고, 개통구(134)에는 개통구(134)의 개폐를 조절하는 제5조절도어(135)가 구비될 수 있다. 이러한 개통구(134)는 제2영역(120)에 유통되는 공기가 제3영역(130)의 실내열교환기(310)에 유통될 수 있는 위치에 형성될 수 있으며, 제5조절도어(135)를 통해 개도량이 조절된다. 이로 인해, 실내 난방시 제5조절도어(135)가 개방되어 실내공간의 따뜻한 내기가 개통구(134)를 통해 실내열교환기(310)로 유통됨으로써, 실내열교환기(310)의 흡열량이 증대된다. 이로 인해, 히트펌프 시스템에 따른 히터기(214)의 난방성능이 향상된다.
한편, 공조케이스(100)에는 증발기(213)에서 생성된 응축수를 포집하여 응축수가 실내열교환기(310)측으로 이동되도록 하는 가이드경로(125)가 구비될 수 있다. 본 발명에서 제2영역(120)의 하측으로 제3영역(130)이 마련됨에 따라 증발기(213)가 실내열교환기(310)의 상측에 배치된다. 이로 인해, 증발기(213)에서 생성되는 응축수는 하측의 실내열교환기(310)로 이동될 수 있다. 이와 더불어, 제2영역(120)에는 증발기(213)의 하측으로 가이드경로(125)가 구비됨으로써, 증발기(213)에서 생성된 응축수가 가이드경로(125)에 의해 실내열교환기(310)로 이동될 수 있다. 이러한 가이드경로(125)는 파이프 형태로 연장되게 형성될 수 있다. 이로 인해, 증발기(213)를 통한 냉각공기 형성시 발생되는 응축수가 실내열교환기(310)로 전달되어 응축수에 의한 실내열교환기(310)의 방열 성능이 추가 확보될 수 있다.
한편, 도 7에 도시된 바와 같이, 공조케이스(100)는 제1영역(110)과 제2영역(120)이 측방으로 구획 배치되고, 제3영역(130)이 제2영역(120)의 전방 또는 후방에 구획 배치될 수 있다. 이렇게, 공조케이스(100)는 제1영역(110)과 제2영역(120)이 측방으로 배치됨에 따라 제1영역(110)에서 제2영역(120)으로 유통되는 공기 흐름의 이동경로를 짧게 구성할 수 있다. 또한, 제3영역(130)의 경우 제2영역(120)의 전방 또는 후방에 배치됨에 따라 실내열교환기(310)와 증발기(213) 간의 거리가 짧아져 실내열교환기(310)와 증발기(213) 간의 냉매라인이 축소될 수 있다. 아울러, 공조케이스(100)에 구비되는 송풍기(140)에 의해, 제1영역(110)과 제3영역(130)에 유통되는 외기의 흐름이 원활하다.
도 3에 따른 공조케이스(100)의 제1영역(110), 제2영역(120), 제3영역(130)의 배치와 제 7에 따른 공조케이스(100)의 제1영역(110), 제2영역(120), 제3영역(130)의 배치는 선택적으로 적용 가능하다.
한편, 본 발명에 따른 전기차량용 공조장치의 전기차량용 공조시스템은 도 8에 도시된 바와 같이, 냉매가 순환되고, 압축기(10), 실내열교환기(310), 팽창기구, 증발기(213)가 구성되는 냉매라인(L1); 냉각수가 순환되고, 제1워터펌프(20), 히터기(214)가 구성되는 히팅라인(L2); 냉각수가 순환되고, 제2워터펌프(30), 실외열교환기(40), PE모듈(50)이 구성되는 전장라인(L3); 냉각수가 순환되고, 제3워터펌프(60), 배터리모듈(BM)이 구성되는 배터리라인(L4); 냉매라인(L1)과 히팅라인(L2)에 연결되어 냉매라인(L1)의 냉매와 히팅라인(L2)의 냉각수 간에 열교환되도록 하는 제1열교환기(70); 및 전장라인(L3)과 배터리라인(L4)에 연결되어 전장라인(L3)의 냉각수와 배터리라인(L4)의 냉각수 간에 열교환되도록 하는 제2열교환기(80);를 포함한다.
즉, 냉매라인(L1)에는 압축기(10), 실내열교환기(310), 팽창기구, 증발기(213)가 구성되어 냉매 순환을 통한 공조가 수행되고, 히팅라인(L2), 전장라인(L3), 배터리라인(L4)에는 냉각수가 순환되어 각종 전장부품의 냉각 및 열교환을 통한 히트펌프가 구현되도록 한다. 배터리라인(L4)의 경우 배터리모듈(BM)의 온도 조절을 위해, 수가열히터(H)가 더 마련될 수 있다.
여기서, 압축기(10)는 냉매를 압축하여 배출함에 따라 냉매라인(L1)에 냉매가 순환되도록 하고, 팽창기구는 냉난방 여부에 따라 냉매를 팽창시키거나, 개방되어 냉매가 통과되도록 하거나, 폐쇄되어 냉매가 통과되지 않도록 한다.
제1워터펌프(20), 제2워터펌프(30), 제3워터펌프(60)는 각각 히팅라인(L2), 전장라인(L3), 배터리라인(L4)에 냉각수가 순환되도록 한다.
실외열교환기(40)는 실외에 배치될 수 있으며, 라디에이터 팬의 회전을 통해 냉각수의 냉각을 통한 온도 조절이 수행되도록 한다.
이를 통해, PE모듈(50)과 배터리모듈(BM)은 각각 냉각수를 통해 냉각이 수행될 수 있다.
제1열교환기(70)는 냉매라인(L1)과 히팅라인(L2)에 연결되어 냉매라인(L1)을 순환하는 냉매와 히팅라인(L2)을 순환하는 냉각수가 열교환되도록 한다.
제2열교환기(80)는 전장라인(L3)과 배터리라인(L4)에 연결되어 전장라인(L3)의 냉각수와 배터리라인(L4)의 냉각수 간에 열교환되도록 한다.
이를 통해, 본 발명은 각 라인을 순환하는 냉매 또는 냉각수 간에 열교환이 수행됨으로써, 히트펌프를 구현할 수 있다.
상세하게, 냉매라인(L1)은 압축기(10)에서 제1열교환기(70), 제1팽창기구(91)를 지나 실내열교환기(310)에 연결되는 제1냉매라인(L1-a), 실내열교환기(310)에서 제2팽창기구(92), 제3열교환기를 지나 압축기(10)에 연결되는 제2냉매라인(L1-b), 제2냉매라인(L1-b)에서 분기되어 제3팽창기구(93), 증발기(213)를 지나 압축기(10)에 연결되는 제3냉매라인(L1-c)으로 이루어질 수 있다. 이로 인해, 냉매는 제1냉매라인(L1-a)에서 제1열교환기(70)를 통해 히팅라인(L2)의 냉각수와 열교환되거나, 제2냉매라인(L1-b)에서 제2열교환기(80)를 통해 배터리라인(L4)과 열교환될 수 있다. 또한, 제3팽창기구(93)의 개도 상태에 따라 증발기(213)가 냉매를 증발시키거나, 냉매가 유통되지 않도록 할 수 있다.
히팅라인(L2)과 전장라인(L3)은 제1멀티웨이밸브(MB1)를 매개로 연결되고, 전장라인(L3)과 배터리라인(L4)은 제2멀티웨이밸브(MB2)를 매개로 연결될 수 있다. 즉, 히팅라인(L2)과 전장라인(L3)은 제1멀티웨이밸브(MB1)에 의해 냉각수가 공유되고, 냉각수의 유통 경로가 결정된다. 또한, 전장라인(L3)과 배터리라인(L4)은 제2멀티웨이밸브(MB2)에 의해 냉각수가 공유되고 냉각수의 유통 경로가 결정된다. 이러한 제1멀티웨이밸브(MB1)와 제2멀티웨이밸브(MB2)는 각 회로의 설계에 따라 3상 또는 4상 밸브로 적용 가능하다.
전장라인(L3)은 제1멀티웨이밸브(MB1)에서 실외열교환기(40), 제2워터펌프(30), PE모듈(50)을 지나 제1멀티웨이밸브(MB1)로 순환되는 제1전장라인(L3-a)과, 제1전장라인(L3-a)에서 분기되어 제2열교환기(80)를 지나 제1전장라인(L3-a)으로 복귀되는 제2전장라인(L3-b)으로 이루어지고, 제2전장라인(L3-b)이 제1전장라인(L3-a)으로부터 분기되는 지점에는 제3멀티웨이밸브(MB3)가 마련될 수 있다. 이렇게, 전장라인(L3)은 제1전장라인(L3-a)과 제2전장라인(L3-b)으로 구분되고, 제2전장라인(L3-b)이 제2열교환기(80)를 통해 배터리라인(L4)과 열교환됨으로써, PE모듈(50) 또는 배터리모듈(BM)의 폐열을 이용하여 난방시 히트펌프 효율이 향상되도록 할 수 있다.
한편, 히팅라인(L2)에는 히터기(214)의 전방에서 분기되는 바이패스라인(L2-a)이 더 연장되고, 바이패스라인(L2-a)에 제4멀티웨이밸브(MB4)가 마련될 수 있다. 이러한 바이패스라인(L2-a)을 통해 히팅라인(L2)을 순환하는 냉각수가 히터기(214)에 공급되지 않고 순환될 수 있다. 이는, 제4멀티웨이밸브(MB4)에 의해 조절된다.
상술한 전기차량용 공조시스템에 따른 냉방 또는 난방시 동작은 하기와 같다.
도 9에 도시된 바와 같이, 실내의 냉방시, 압축기(10)의 구동에 의해 냉매가 제1열교환기(70)와 실내열교환기(310)를 통과하게 된다. 이때, 제1열교환기(70)는 히팅라인(L2)을 순환하는 냉각수와 열교환되고, 실내열교환기는 송풍기(140)에 의해 열을 방출함에 따라 제1열교환기(70)와 실내열교환기(310)에서 냉각수의 응축이 수행된다. 여기서, 제1팽창기구(91)는 개방되어 냉매가 바이패스되고, 제2팽창기구(92)와 제3팽창기구(93)는 냉매가 팽창되도록 한다. 이로 인해, 제2냉매라인(L1-b)에서 제2팽창기구(92)에 의해 팽창된 냉매는 온도가 감소되고, 온도가 감소된 냉매는 제2열교환기(80)를 통해 배터리라인(L4)의 냉각수와 열교환되어 배터리라인(L4)의 냉각수 온도를 감소시킬 수 있다. 또한, 제3냉매라인(L1-c)에서 제3팽창기구(93)에 의해 팽창된 냉매는 증발기(213)에 이동되고, 증발기(213)를 통한 냉매의 증발을 통해 냉방공기를 형성할 수 있다. 한편, 제2멀티웨이밸브(MB2)의 조절을 통해 배터리라인(L4)에만 냉각수가 순환되도록 하고, 제1멀티웨이밸브(MB1), 제3멀티웨이밸브(MB3), 제4멀티웨이밸브(MB4)의 조절을 통해 실외열교환기(40)에 의해 냉각되는 냉각수가 제2워터펌프(30), PE모듈(50), 제3워터펌프(60), 제1열교환기(70)를 지나 다시 실외열교환기(40)로 순환되도록 한다.
이로 인해, 실내에 냉방공기를 제공하고, 배터리모듈(BM)의 냉각을 수행하며, PE모듈(50)은 실외열교환기(40)를 통한 열교환에 의해 냉각이 수행될 수 있다.
한편, 도 10에 도시된 바와 같이, 실내의 난방시, 압축기(10)의 구동에 의해 냉매가 제1열교환기(70)에 전달된다. 이로 인해, 제1열교환기(70)에 연결된 히팅라인(L2)의 냉각수는 고온의 냉매로부터 열원을 전달받아 가열되고, 제4멀티웨이밸브(MB4)의 조절에 의해 가열된 냉각수가 히터기(214)로 전달된다. 여기서, 제1멀티웨이밸브(MB1)는 히팅라인(L2)을 순환하는 냉각수가 히팅라인(L2)에만 순환되도록 하여 히터기(214)의 난방효율 저하를 방지한다. 이렇게, 히터기(214)는 주변 공기를 가열함에 따라 난방공기를 생성할 수 있다. 한편, 제1팽창기구(91)는 냉매가 팽창되도록 하여 실내열교환기(310)가 냉매를 증발시킴에 따라 주변의 열원을 흡수하게 된다. 이때, 전장부품을 순환한 공기와 내기도 실내열교환기(310)에 전달됨에 따라 실내열교환기(310)의 흡열량이 향상된다. 한편, 제2팽창기구(92)는 오픈되어 냉매가 바이패스되고, 제2냉매라인(L2-b)에 유통되는 냉매는 제2열교환기(80)를 통해 배터리라인(L4)의 냉각수와 열교환된다. 여기서, 제1멀티웨이밸브(MB1), 제2멀티웨이밸브(MB2), 제3멀티웨이밸브(MB3)의 조절을 통해, 냉각수가 전장라인(L3)과 배터리라인(L4)에서 PE모듈(50), 배터리모듈(BM)을 순환함에 따라 승온되고, 승온된 냉각수가 제2열교환기(80)와 열교환된다. 즉, PE모듈(50)과 배터리모듈(BM)의 폐열을 회수하여 제2열교환기(80)를 통해 냉매에 전달함에 따라 냉매의 온도가 상승된다. 이로 인해, 압축기(10)는 온도가 상승된 냉매를 전달받아 압축함에 따라 냉매의 온도가 추가 상승되고, 고온의 냉매가 제1열교환기(70)를 통해 히팅라인(L2)의 냉각수 온도를 승온시킴으로써, 히터기(214)를 통한 난방효율이 향상된다.
이와 같이, 본 발명은 공조케이스(100) 내부에 HVAC과 공조시스템의 쿨링영역이 통합되어 냉매 유로가 축소되고, 히트펌프가 활용되어 낸난방 성능이 확보된다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
100:공조케이스 110:제1영역
111:내기유입구 112:제1외기유입구
120:제2영역 121:제1유통로
122:제2유통로 123:제2조절도어
124:제3조절도어 125:가이드경로
130:제3영역 131:PE룸유입구
132:제2외기유입구 133:제4조절도어
134:개통구 135:제5조절도어
140:송풍기 200:HVAC모듈
210:공조기 211:제1조절도어
212:블로워 213:증발기
214:히터기 215:전기히터
300:열교환모듈 310:실내열교환기
10:압축기 20:제1워터펌프
30:제2워터펌프 40:실외열교환기
50:PE모듈 60:제3워터펌프
70:제1열교환기 80:제2열교환기
91:제1팽창기구 92:제2팽창기구
93:제3팽창기구 MB1:제1멀티웨이밸브
MB2:제2멀티웨이밸브 MB3:제3멀티웨이밸브
MB4:제4멀티웨이밸브 L1:냉매라인
L1-a:제1냉매라인 L1-b:제2냉매라인
L1-c:제3냉매라인 L2:히팅라인
L2-a:바이패스라인 L3:전장라인
L3-a:제1전장라인 L3-b:제2전장라인
L4:배터리라인

Claims (20)

  1. 차량 언더바디 하부에 설치되고, 상부의 토출구를 통해 실내와 연통되어 공조공기가 순환되는 공조케이스;
    공조케이스의 내부에 마련되고, 내기와 외기의 온도를 조절하여 실내에 공조공기를 제공하는 HVAC모듈; 및
    공조케이스의 내부에서 HVAC모듈의 하측에 마련되고, HVAC모듈의 냉난방 여부에 따라 HVAC모듈과 열교환되는 열교환모듈;을 포함하는 전기차량용 공조장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    공조케이스는 내기와 외기가 순환되는 제1영역과, 제1영역으로부터 내기와 외기를 공급받고 실내와 연결되며 HVAC모듈이 마련되는 제2영역과, 전장부품을 순환한 공기 및 외기가 순환되고 열교환모듈이 마련되는 제3영역으로 구획된 것을 특징으로 하는 전기차량용 공조장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    공조케이스에는 제1영역과 제3영역으로 동시에 공기를 송풍하는 송풍기가 마련되고,
    HVAC모듈은 제1영역에 구비되어 내기와 외기의 유통량을 조절하는 공조기, 제2영역에 마련되는 증발기 및 히터기를 포함하며,
    열교환모듈은 증발기에 순환되는 냉매가 공유되는 실내열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기차량용 공조장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    실내에 냉각공기 제공시, 공조기를 통해 제1영역에 내기가 유입되도록 하고, 제2영역에서 내기가 증발기에 의해 냉각되도록 하며, 제3영역에는 외기가 송풍기에 의해 실내열교환기로 전달되는 것을 특징으로 하는 전기차량용 공조장치.
  5. 청구항 3에 있어서,
    실내에 난방공기 제공시, 공조기를 통해 제1영역에 내기와 외기가 유입되도록 하고, 제2영역에서 내외기가 히터기에 의해 가열되도록 하며, 제3영역에는 외기와 전장부품을 순환한 공기가 송풍기에 의해 실내열교환기로 전달되는 것을 특징으로 하는 전기차량용 공조장치.
  6. 청구항 3에 있어서,
    공조케이스는 제1영역과 제2영역이 측방으로 구획 배치되고, 제3영역이 제2영역의 하방에 구획 배치된 것을 특징으로 하는 전기차량용 공조장치.
  7. 청구항 3에 있어서,
    공조케이스의 제1영역에는 내기가 유입되는 내기유입구와 외기가 유입되는 제1외기유입구가 형성되고,
    공조기는 내기와 외기의 유통량을 조절하는 제1조절도어와 제1조절도어를 통과한 내기와 외기가 제2영역으로 유통되도록 하는 블로워로 구성된 것을 특징으로 하는 전기차량용 공조장치.
  8. 청구항 3에 있어서,
    제2영역에는 공기가 유통되는 방향으로 증발기와 히터기가 배치되고, 히터기의 후방으로 전기히터가 더 포함된 것을 특징으로 하는 전기차량용 공조장치.
  9. 청구항 3에 있어서,
    제2영역은 제1영역에서 전달된 공기가 히터기 및 전기히터를 통과하지 않고 바이패스되는 제1유통로와, 제1영역에서 전달된 공기가 히터기 및 전기히터를 통과하는 제2유통로로 구획된 것을 특징으로 하는 전기차량용 공조장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    제2영역에는 제1유통로를 개폐 조절하는 제2조절도어가 구비된 것을 특징으로 하는 전기차량용 공조장치.
  11. 청구항 9에 있어서,
    제2영역에는 제2유통로를 개폐 조절하는 제3조절도어가 구비된 것을 특징으로 하는 전기차량용 공조장치.
  12. 청구항 3에 있어서,
    공조케이스의 제3영역에는 전장부품을 순환한 공기가 유입되는 PE룸유입구와 외기가 유입되는 제2외기유입구가 형성되고, PE룸유입구와 제2외기유입구의 개도량을 조절하는 제4조절도어가 구비된 것을 특징으로 하는 전기차량용 공조장치.
  13. 청구항 3에 있어서,
    공조케이스에는 제2영역과 제3영역이 개통되어 공기가 제2영역에서 제3영역으로 유통되는 개통구가 형성되고, 개통구에는 개통구의 개폐를 조절하는 제5조절도어가 구비된 것을 특징으로 하는 전기차량용 공조장치.
  14. 청구항 3에 있어서,
    공조케이스에는 증발기에서 생성된 응축수를 포집하여 응축수가 실내열교환기측으로 이동되도록 하는 가이드경로가 구비된 것을 특징으로 하는 전기차량용 공조장치.
  15. 청구항 3에 있어서,
    공조케이스는 제1영역과 제2영역이 측방으로 구획 배치되고, 제3영역이 제2영역의 전방 또는 후방에 구획 배치된 것을 특징으로 하는 전기차량용 공조장치.
  16. 청구항 1의 전기차량용 공조장치에 따른 전기차량용 공조시스템에 있어서,
    냉매가 순환되고, 압축기, 열교환모듈의 실내열교환기, 팽창기구, HAVC모듈의 증발기가 구성되는 냉매라인;
    냉각수가 순환되고, 제1워터펌프, HAVC모듈의 히터기가 구성되는 히팅라인;
    냉각수가 순환되고, 제2워터펌프, 실외열교환기, PE모듈이 구성되는 전장라인;
    냉각수가 순환되고, 제3워터펌프, 배터리모듈이 구성되는 배터리라인;
    냉매라인과 히팅라인에 연결되어 냉매라인의 냉매와 히팅라인의 냉각수 간에 열교환되도록 하는 제1열교환기; 및
    전장라인과 배터리라인에 연결되어 전장라인의 냉각수와 배터리라인의 냉각수 간에 열교환되도록 하는 제2열교환기;를 포함하는 전기차량용 공조시스템.
  17. 청구항 16에 있어서,
    냉매라인은 압축기에서 제1열교환기, 제1팽창기구를 지나 실내열교환기에 연결되는 제1냉매라인, 실내열교환기에서 제2팽창기구, 제3열교환기를 지나 압축기에 연결되는 제2냉매라인, 제2냉매라인에서 분기되어 제3팽창기구, 증발기를 지나 압축기에 연결되는 제3냉매라인으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기차량용 공조시스템.
  18. 청구항 16에 있어서,
    히팅라인과 전장라인은 제1멀티웨이밸브를 매개로 연결되고, 전장라인과 배터리라인은 제2멀티웨이밸브를 매개로 연결된 것을 특징으로 하는 전기차량용 공조시스템.
  19. 청구항 18에 있어서,
    전장라인은 제1멀티웨이밸브에서 실외열교환기, 제2워터펌프, PE모듈을 지나 제1멀티웨이밸브로 순환되는 제1전장라인과, 제1전장라인에서 분기되어 제2열교환기를 지나 제1전장라인으로 복귀되는 제2전장라인으로 이루어지고,
    제2전장라인이 제1전장라인으로부터 분기되는 지점에는 제3멀티웨이밸브가 마련된 것을 특징으로 하는 전기차량용 공조시스템.
  20. 청구항 16에 있어서,
    히팅라인에는 히터기의 전방에서 분기되는 바이패스라인이 더 연장되고, 바이패스라인에 제4멀티웨이밸브가 마련된 것을 특징으로 하는 전기차량용 공조시스템.
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