KR20230006188A - 전기차량용 공조 시스템 - Google Patents

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신기영
이대희
김명회
권동호
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명에서는 공조공기의 냉난방을 위한 열원이 냉각수로 통일되고, 냉각수만으로 냉방성능 및 난방성능을 모두 확보하며, 전체 패키지가 축소된다. 즉, 제1공조 열교환기와 제2공조 열교환기를 통해 공기의 온도가 조절됨에 따라 별도의 온도조절 도어 없이, 냉난방 모드를 포함한 각종 공조모드의 구현이 가능하다. 이로 인해, 본 발명은 공조기의 전체 사이즈가 축소된다. 또한, 냉난방시, 제1공조 열교환기와 제2공조 열교환기를 통합하여 활용함으로써 열교환기의 사이즈가 축소되어 실내 공간을 확보할 수 있고, 각 열교환기의 사이즈를 키우지 않고도 공조 성능을 확보할 수 있는 전기차량용 공조 시스템이 소개된다.

Description

전기차량용 공조 시스템 {AIR CONDITIONER SYSTEM FOR ELECTRIC MOTOR VEHICLE}
본 발명은 냉각수를 통해 공기의 냉각 또는 난방이 수행되고, 공조기의 전체 크기가 축소되는 전기차량용 공조 시스템에 관한 것이다.
전기자동차는 배터리로부터 전기를 공급받아 동력을 출력하는 모터를 이용하여 작동한다. 따라서, 전기자동차는 이산화탄소의 배출이 없고, 소음이 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 이루어지고 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 혹한기시 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, 실내 공조를 위한 공조시스템의 경우 냉매와 냉각수의 활용을 통해 열관리를 수행하는데, 열관리해야 하는 부품이 증대됨에 따라 패키지가 증대되고 구성이 복잡해지는 문제가 있다.
이에 따라, 열원을 통일하는 방안이 요구되고 있으나, 냉각수만으로 열원을 제공할 경우 냉난방 성능이 저하되는 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, 공조공기의 냉난방을 위한 열원이 냉각수로 통일되고, 냉각수만으로 냉난방 성능을 확보하며, 전체 패키지가 축소되는 전기차량용 공조 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전기차량용 공조 시스템은 열교환을 통해 가열을 수행하는 가열기; 열교환을 통해 냉각을 수행하는 냉각기; 및 냉각수가 순환되고, 공기를 냉각 또는 난방시키는 제1공조 열교환기와 제2공조 열교환기를 포함하며, 냉각수가 복수개의 밸브에 의해 냉각기 또는 가열기에서 열교환되는 냉각수라인;을 포함함으로써, 공기의 냉방 또는 난방 여부에 따라, 각 밸브의 전환에 의해 냉각수라인의 냉각수가 냉각기 또는 가열기에서 열교환되고, 제1공조 열교환기와 제2공조 열교환기를 통해 냉각수가 공기와 열교환됨으로써 실내에 온도 조절된 공조공기가 제공되는 것을 특징으로 한다.
냉매가 순환되며, 압축기, 가열기, 팽창기, 냉각기를 포함하는 냉매라인;을 더 포함하고, 가열기는 콘덴서이며, 냉각기는 증발기인 것을 특징으로 한다.
냉각수라인은, 제1공조 열교환기, 제1워터펌프, 제1밸브, 제2밸브를 포함하며, 냉각기와 열교환되도록 연결된 제1냉각수라인; 및 제2냉각수라인에 연결되며, 제2공조 열교환기, 제2워터펌프, 제3밸브, 제4밸브를 포함하며, 가열기와 열교환되도록 연결된 제2냉각수라인;이 구성된 것을 특징으로 한다.
제1밸브와 제2밸브는 제1냉각수라인에서 제1공조 열교환기의 전후단에 각각 배치되고, 제3밸브와 제4밸브는 제2냉각수라인에서 제2공조 열교환기의 전후단에 각각 배치되며, 제1밸브와 제3밸브, 제2밸브와 제4밸브의 연결을 통해 제1냉각수라인과 제2냉각수라인이 서로 연결된 것을 특징으로 한다.
실내에 냉방공기를 제공해야하는 경우, 냉매라인에서 냉매는 압축기, 가열기, 팽창기, 냉각기에 순환되고, 제1냉각수라인과 제2냉각수라인에서 냉각수는 제1밸브, 제2밸브, 제3밸브, 제4밸브의 전환에 의해 제1공조 열교환기, 제2공조 열교환기, 냉각기에 순환되는 것을 특징으로 한다.
실내에 난방공기를 제공해야 하는 경우, 냉매라인에서 냉매는 압축기, 가열기, 팽창기, 냉각기에 순환되고, 제1냉각수라인과 제2냉각수라인에서 냉각수는 제1밸브, 제2밸브, 제3밸브, 제4밸브의 전환에 의해 제1공조 열교환기, 제2공조 열교환기, 가열기로 순환되는 것을 특징으로 한다.
제2냉각수라인에는 냉각수 히터가 더 포함되고, 실내에 난방공기를 제공시 냉각수의 온도에 따라 동작이 결정되는 것을 특징으로 한다.
실내에 제습공기를 제공해야 하는 경우, 냉매라인에서 냉매는 압축기, 가열기, 팽창기, 냉각기에 순환되며, 제1냉각수라인에서 냉각수가 제1밸브와 제2밸브에 의해 제1공조 열교환기와 냉각기로 순환되고, 제2냉각수라인에서 냉각수가 제3밸브, 제4밸브에 의해 제2공조 열교환기와 가열기로 순환되는 것을 특징으로 한다.
냉각수라인은, 제2냉각수라인에서 제5밸브를 매개로 분기되며, 전장모듈, 라디에이터 열교환기, 제3워터펌프를 포함하고, 가열기와 열교환되도록 연결된 제3냉각수라인;을 더 구성된 것을 특징으로 한다.
냉각수라인은, 제3냉각수라인에서 제6밸브 및 제7밸브를 매개로 분기되며, 배터리모듈, 제4워터펌프를 포함하는 제4냉각수라인;이 더 구성된 것을 특징으로 한다.
냉매라인은, 압축기, 가열기, 제1팽창기, 냉각기를 포함하는 제1냉매라인; 및 제1냉매라인에서 분기되어 냉매를 공유하며, 냉매와 제4냉각수라인에 순환되는 냉각수가 열교환되도록 하는 칠러, 제2팽창기를 포함하는 제2냉매라인;으로 구성된 것을 특징으로 한다.
실내에 냉방공기를 제공해야하는 경우, 제1팽창기가 냉매를 팽창시키고, 제2팽창기가 폐쇄되며, 제1냉각수라인과 제2냉각수라인에서 냉각수는 제1밸브, 제2밸브, 제3밸브, 제4밸브의 전환에 의해 제1공조 열교환기, 제2공조 열교환기, 냉각기에 순환되는 것을 특징으로 한다.
제3냉각수라인에서 냉각수는 제5밸브, 제6밸브, 제7밸브에 의해 전장모듈, 라디에이터 열교환기, 가열기에 순환되는 것을 특징으로 한다.
실내에 난방공기를 제공해야 하는 경우, 제1팽창기가 폐쇄되고, 제2팽창기가 냉매를 팽창시키며, 제1냉각수라인과 제2냉각수라인에서 냉각수는 제1밸브, 제2밸브, 제3밸브, 제4밸브의 전환에 의해 제1공조 열교환기, 제2공조 열교환기, 가열기로 순환되는 것을 특징으로 한다.
제3냉각수라인과 제4냉각수라인에서 냉각수는 제5밸브, 제6밸브, 제7밸브에 의해 전장모듈, 배터리모듈, 칠러에 순환되는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 전기차량용 공조 시스템은 공조공기의 냉난방을 위한 열원이 냉각수로 통일되고, 냉각수만으로 냉방성능 및 난방성능을 모두 확보하며, 전체 패키지가 축소된다.
즉, 제1공조 열교환기와 제2공조 열교환기를 통해 공기의 온도가 조절됨에 따라 별도의 온도조절 도어 없이, 냉난방 모드를 포함한 각종 공조모드의 구현이 가능하다. 이로 인해, 본 발명은 공조기의 전체 사이즈가 축소된다.
또한, 냉난방시, 제1공조 열교환기와 제2공조 열교환기를 통합하여 활용함으로써 열교환기의 사이즈가 축소되어 실내 공간을 확보할 수 있고, 각 열교환기의 사이즈를 키우지 않고도 공조 성능을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전기차량용 공조 시스템을 나타낸 도면.
도 2는 도 1에 도시된 전기차량용 공조 시스템의 냉방모드를 나타낸 도면.
도 3은 도 1에 도시된 전기차량용 공조 시스템의 난방모드를 나타낸 도면.
도 4는 도 1에 도시된 전기차량용 공조 시스템의 제습모드를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기차량용 공조 시스템을 나타낸 도면.
도 6은 도 5에 도시된 전기차량용 공조 시스템의 냉방모드를 나타낸 도면.
도 7은 도 5에 도시된 전기차량용 공조 시스템의 난방모드를 나타낸 도면.
도 8은 도 5에 도시된 전기차량용 공조 시스템의 제습모드를 나타낸 도면.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전기차량용 공조 시스템에 대하여 살펴본다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전기차량용 공조 시스템을 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 전기차량용 공조 시스템의 냉방모드를 나타낸 도면이며, 도 3은 도 1에 도시된 전기차량용 공조 시스템의 난방모드를 나타낸 도면이고, 도 4는 도 1에 도시된 전기차량용 공조 시스템의 제습모드를 나타낸 도면이다.
또한, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기차량용 공조 시스템을 나타낸 도면이고, 도 6은 도 5에 도시된 전기차량용 공조 시스템의 냉방모드를 나타낸 도면이며, 도 7은 도 5에 도시된 전기차량용 공조 시스템의 난방모드를 나타낸 도면이고, 도 8은 도 5에 도시된 전기차량용 공조 시스템의 제습모드를 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 전기차량용 공조 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 열교환을 통해 가열을 수행하는 가열기(20); 열교환을 통해 냉각을 수행하는 냉각기(40); 및 냉각수가 순환되고, 공기를 냉각 또는 난방시키는 제1공조 열교환기(51)와 제2공조 열교환기(52)를 포함하며, 냉각수가 복수개의 밸브(60)에 의해 냉각기(40) 또는 가열기(20)에서 열교환되는 냉각수라인(200);을 포함한다.
즉, 냉각수라인(200)에는 냉각수가 순환되며, 가열기(20), 냉각기(40), 제1공조 열교환기(51), 제2공조 열교환기(52)가 연결된다. 또한, 냉각수라인(200)에는 적어도 하나 이상의 워터펌프가 마련되어 워터펌프의 구동에 의해 냉각수가 순환되고, 복수개의 밸브(60)가 마련되어 각 밸브(60)의 개폐 여부에 따라 냉각수가 가열기(20), 냉각기(40), 제1공조 열교환기(51), 제2공조 열교환기(52)에 선택적으로 순환된다.
여기서, 가열기(20)는 냉각수를 가열시키는 것으로, 전기에너지 또는 냉매 또는 외기 등의 매체와 열교환을 통해 냉각수라인(200)에 순환되는 냉각수의 온도가 높아지도록 구성될 수 있다.
냉각기(40)는 냉각수를 냉각시키는 것으로, 전기에너지 또는 냉매 또는 외기 등 냉각수라인(200)에 순환되는 냉각수 외의 다른 매체를 통해 냉각수의 온도가 낮아지도록 구성될 수 있다.
본 발명에서 가열기(20)는 콘덴서로 구성되고, 냉각기(40)는 증발기로 구성될 수 있으며, 가열기(20) 또는 냉각기(40)에 순환되는 냉매와 냉각수의 열교환을 통해 냉각수의 온도가 높아지거나 낮아지되도록 할 수 있다. 이에 대해서는 하기에 자세히 설명하도록 한다.
이를 통해, 본 발명은 공기의 냉방 또는 난방 여부에 따라 각 밸브(60)를 전환하여, 냉각수라인(200)의 냉각수가 냉각기(40) 또는 가열기(20)에서 열교환되고, 제1공조 열교환기(51)와 제2공조 열교환기(52)를 통해 냉각수가 공기와 열교환됨으로써 실내에 온도 조절된 공조공기가 제공될 수 있다.
여기서, 밸브(60)는 제어기를 통해 제어되며, 제어기는 사용자가 요구하는 온도 또는 자동설정된 온도에 따라 각 밸브(60)의 제어를 통해 냉각수가 냉각기(40) 또는 가열기(20)에 순환되도록 한다.
한편, 제1공조 열교환기(51)와 제2공조 열교환기(52)에는 블로워의 동작에 의해 이동되는 외기 또는 내기가 통과된 후 실내에 유통된다. 즉, 외기 또는 내기는 제1공조 열교환기(51)와 제2공조 열교환기(52)를 통과함에 따라 제1공조 열교환기(51)와 제2공조 열교환기(52)에서 냉각수와 열교환되어 온도가 조절되고, 온도가 조절된 공조공기가 실내에 유통됨으로써 실내에서 요구하는 온도의 공기를 제공할 수 있다.
이처럼, 본 발명은 제1공조 열교환기(51)와 제2공조 열교환기(52)를 통해 공기의 온도가 조절됨에 따라 별도의 온도조절 도어 없이, 냉난방 모드를 포함한 각종 공조모드의 구현이 가능하다. 이로 인해, 본 발명은 공조기의 전체 사이즈가 축소된다.
또한, 냉난방시, 제1공조 열교환기(51)와 제2공조 열교환기(52)를 통합하여 활용함으로써 열교환기의 사이즈가 축소되어 실내 공간을 확보할 수 있고, 각 열교환기의 사이즈를 키우지 않고도 공조 성능을 확보할 수 있다.
이에 따른 본 발명은 하기와 같이, 냉방모드, 난방모드, 제습모드가 구현될 수 있다.
실내에 냉방공기를 제공해야하는 냉방모드의 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 각 밸브(60)의 개폐 동작을 통해 냉각수가 냉각기(40), 제1공조 열교환기(51), 제2공조 열교환기(52)에 순환되도록 한다.
이로 인해, 제1공조 열교환기(51)와 제2공조 열교환기(52)에 냉각된 냉각수가 순환됨에 따라, 제1공조 열교환기(51)와 제2공조 열교환기(52)를 통과하는 공기는 제1공조 열교환기(51)와 제2공조 열교환기(52)에서 냉각수와 열교환되어 냉방공기로 형성된다.
한편, 실내에 난방공기를 제공해야하는 난방모드의 경우, 도 3에 도시된 바와 같이, 각 밸브(60)의 개폐 동작을 통해 냉각수가 가열기(20)기, 제1공조 열교환기(51), 제2공조 열교환기(52)에 순환되도록 한다.
이로 인해, 제1공조 열교환기(51)와 제2공조 열교환기(52)에 가열된 냉각수가 순환됨에 따라, 제1공조 열교환기(51)와 제2공조 열교환기(52)를 통과하는 공기는 제1공조 열교환기(51)와 제2공조 열교환기(52)에서 냉각수와 열교환되어 난방공기로 형성된다.
이처럼, 냉방모드 또는 난방모드시, 공기가 제1공조 열교환기(51)와 제2공조 열교환기(52)를 통과함에 따라 열교환 면적이 확보되어 냉난방 성능이 확보된다. 또한, 공기의 온도 조절시, 밸브(60)의 전환을 통해 냉각수가 제1공조 열교환기(51)와 제2공조 열교환기(52)에 각각 선택적으로 순환되도록 하여 공기의 온도조절이 가능하다.
한편, 실내에 제습공기를 제공해야하는 제습모드의 경우, 도 4에 도시된 바와 같이, 각 밸브(60)의 개폐 동작에 의해 냉각수는 냉각기(40)와 제1공조 열교환기(51)에 순환되는 냉각수와 가열기(20)와 제2공조 열교환기(52)에 순환되는 냉각수로 분류된다.
이로 인해, 제1공조 열교환기(51)에는 냉각기(40)를 통해 냉각된 냉각수가 순환되어 유통되는 공기가 냉각되고, 제2공조 열교환기(52)에는 가열기(20)를 통해 가열된 냉각수가 순환되어 유통되는 공기가 가열됨에 따라 제습 효과가 발생된다. 이에 따라, 실내에는 제습된 제습공기를 제공할 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예 따른 전기차량용 공조 시스템은 도 5에 도시된 바와 같이, 냉매가 순환되며, 압축기(10), 가열기(20), 팽창기(30), 냉각기(40)를 포함하는 냉매라인(100);을 더 포함한다. 여기서, 가열기(20)는 콘덴서이고, 냉각기(40)는 증발기가 될 수 있다.
즉, 냉매라인(100)은 냉각수라인(200)의 냉각수와 냉매가 서로 열교환되어 냉각수의 요구 온도를 만족시키기 위한 것으로, 가열기(20)는 콘덴서로서 고온의 냉매와 냉각수가 열교환되도록 하고, 냉각기(40)는 증발기로서 저온의 냉매와 냉각수가 열교환되도록 한다.
한편, 냉각수라인(200)은, 제1공조 열교환기(51), 제1워터펌프(71), 제1밸브(61), 제2밸브(62)를 포함하며, 냉각기(40)와 열교환되도록 연결된 제1냉각수라인(210); 및 제2냉각수라인(220)에 연결되며, 제2공조 열교환기, 제2워터펌프(72), 제3밸브(63), 제4밸브(64)를 포함하며, 가열기(20)와 열교환되도록 연결된 제2냉각수라인(220);이 구성된다.
이처럼, 냉각수라인(200)은 제1냉각수라인(210)과 제2냉각수라인(220)이 구성되며, 제1냉각수라인(210)과 제2냉각수라인(220)에는 냉각수가 공유된다. 이에 따라, 제1냉각수라인(210)에서는 제1워터펌프(71)의 동작에 의해 냉각수과 순환되고, 제1밸브(61), 제2밸브(62), 제3밸브(63), 제4밸브(64)의 개폐 여부에 따라 냉각수가 냉각기(40)에 선택적으로 순환될 수 있다. 또한, 제2냉각수라인(220)에서는 제2워터펌프(72)의 동작에 의해 냉각수가 순환되고, 제1밸브(61), 제2밸브(62), 제3밸브(63), 제4밸브(64)의 개폐 여부에 따라 냉각수가 가열기(20)에 선택적으로 순환될 수 있다.
이러한 제1밸브(61)와 제2밸브(62)는 제1냉각수라인(210)에서 제1공조 열교환기(51)의 전후단에 각각 배치되고, 제3밸브(63)와 제4밸브(64)는 제2냉각수라인(220)에서 제2공조 열교환기의 전후단에 각각 배치되어, 냉각수가 냉각기(40) 또는 가열기(20)에 선택적으로 순환하여 제1공조 열교환기(51)와 제2공조 열교환기(52)에 순환되도록 할 수 있다.
또한, 제1밸브(61)와 제3밸브(63)가 연결되고, 제2밸브(62)와 제4밸브(64)가 서로 연결됨으로써, 제1냉각수라인(210)과 제2냉각수라인(220)이 서로 연결되어 제1밸브(61), 제2밸브(62), 제3밸브(63), 제4밸브(64)의 개폐 여부에 따라 냉각수의 순환 방향이 결정될 수 있다.
이처럼, 제1냉각수라인(210)과 제2냉각수라인(220)에는 제1밸브(61), 제2밸브(62), 제3밸브(63), 제4밸브(64)의 개폐 여부에 따라 냉각수의 순환 방향이 결정됨으로써, 제1공조 열교환기(51) 또는 제2공조 열교환기(52)에 냉각기(40)를 통과함에 따른 냉각된 냉각수 또는 가열기(20)를 통과함에 따른 가열된 냉각수가 순환된다. 이에 따라, 제1공조 열교환기(51)와 제2공조 열교환기(52)에서는 냉각수와 공기의 열교환이 수행되어 냉난방 공조공기가 실내에 제공될 수 있다.
이를 통해, 본 발명은 실내에 냉방공기를 제공해야하는 경우, 냉매라인(100)에서 냉매는 압축기(10), 가열기(20), 팽창기(30), 냉각기(40)에 순환되고, 제1냉각수라인(210)과 제2냉각수라인(220)에서 냉각수는 제1밸브(61), 제2밸브(62), 제3밸브(63), 제4밸브(64)의 전환에 의해 제1공조 열교환기(51), 제2공조 열교환기, 냉각기(40)에 순환된다.
즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 냉매라인(100)에는 냉매가 압축기(10), 가열기(20), 팽창기(30), 냉각기(40)에 순환됨에 따라 냉각기(40)를 통해 주변 매체의 냉각을 수행할 수 있다.
또한, 제1냉각수라인(210)에서 냉각수는 제1밸브(61), 제2밸브(62)에 의해 제1공조 열교환기(51)와 냉각기(40)에 순환되고, 제2냉각수라인(220)에서 냉각수는 제3밸브(63), 제4밸브(64)에 의해 제2공조 열교환기(52)를 순환한다. 또한, 제1밸브(61), 제2밸브(62), 제3밸브(63), 제4밸브(64)는 제1냉각수라인(210)과 제2냉각수라인(220)에 냉각수가 공유되도록 동작된다.
이로 인해, 냉각수는 제1냉각수라인(210) 및 제2냉각수라인(220)에서 냉각기(40)를 통과하여 온도가 낮아지고, 온도가 낮아진 냉각수가 제1공조 열교환기(51)와 제2공조 열교환기(52)를 순환한다. 이에 따라, 제1공조 열교환기(51)와 제2공조 열교환기(52)를 통과하는 공기는 제1공조 열교환기(51)와 제2공조 열교환기(52)에서 냉각수와 열교환되어 냉각됨에 따라 냉방공기로서 실내에 제공될 수 있다.
한편, 본 발명은 실내에 난방공기를 제공해야 하는 경우, 냉매라인(100)에서 냉매는 압축기(10), 가열기(20), 팽창기(30), 냉각기(40)에 순환되고, 제1냉각수라인(210)과 제2냉각수라인(220)에서 냉각수는 제1밸브(61), 제2밸브(62), 제3밸브(63), 제4밸브(64)의 전환에 의해 제1공조 열교환기(51), 제2공조 열교환기(52), 가열기(20)로 순환된다.
도 7에 도시된 바와 같이, 냉매라인(100)에는 냉매가 압축기(10), 가열기(20), 팽창기(30), 냉각기(40)에 순환됨에 따라 가열기(20)를 통해 주변 매체의 가열이 수행될 수 있다.
또한, 제1냉각수라인(210)에서 냉각수는 제1밸브(61), 제2밸브(62)에 의해 냉각기(40)측으로 순환되지 않고 제1공조 열교환기(51)에만 순환되며, 제2냉각수라인(220)에서 냉각수는 제3밸브(63), 제4밸브(64)에 의해 가열기(20)와 제2공조 열교환기(52)를 순환한다. 또한, 제1밸브(61), 제2밸브(62), 제3밸브(63), 제4밸브(64)는 제1냉각수라인(210)과 제2냉각수라인(220)에 냉각수가 공유되도록 동작된다.
여기서, 제2냉각수라인(220)에는 냉각수 히터(H)가 더 포함될 수 있다. 이러한 냉각수 히터(H)는 냉각수를 가열시키기 위한 것으로, 냉각수의 온도가 목표된 온도까지 높아지지 않을 경우 동작되어 냉각수가 목표된 온도까지 높아지도록 하여, 부족한 열원이 보강되도록 한다.
이로 인해, 냉각수는 제1냉각수라인(210) 및 제2냉각수라인(220)에서 가열기(20) 및 냉각수 히터(H)를 통과하여 온도가 높아지고, 온도가 높아진 냉각수가 제1공조 열교환기(51)와 제2공조 열교환기(52)를 순환한다. 이에 따라, 제1공조 열교환기(51)와 제2공조 열교환기(52)를 통과하는 공기는 제1공조 열교환기(51)와 제2공조 열교환기(52)에서 냉각수와 열교환되어 가열됨에 따라 난방공기로서 실내에 제공될 수 있다.
한편, 실내에 제습공기를 제공해야 하는 경우, 냉매라인(100)에서 냉매는 압축기(10), 가열기(20), 팽창기(30), 냉각기(40)에 순환되며, 제1냉각수라인(210)에서 냉각수가 제1밸브(61)와 제2밸브(62)에 의해 제1공조 열교환기(51)와 냉각기(40)로 순환되고, 제2냉각수라인(220)에서 냉각수가 제3밸브(63), 제4밸브(64)에 의해 제2공조 열교환기와 가열기(20)로 순환될 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 냉매라인(100)에는 냉매가 압축기(10), 가열기(20), 팽창기(30), 냉각기(40)에 순환됨에 따라 냉각기(40)를 통해 주변 매체의 냉각이 수행되고, 가열기(20)를 통해 주변 매체의 가열이 수행될 수 있다.
또한, 제1냉각수라인(210)에서 냉각수는 제1밸브(61), 제2밸브(62)에 의해 제1공조 열교환기(51)와 냉각기(40)에 순환되고, 제2냉각수라인(220)에서 냉각수는 제3밸브(63), 제4밸브(64)에 의해 가열기(20)와 제2공조 열교환기(52)에 순환된다. 또한, 제1밸브(61), 제2밸브(62), 제3밸브(63), 제4밸브(64)는 제1냉각수라인(210)과 제2냉각수라인(220)에 냉각수가 분류되도록 동작된다.
이로 인해, 제1공조 열교환기(51)에는 냉각기(40)를 통해 냉각된 냉각수가 순환되어 유통되는 공기가 제1공조 열교환기(51)에서 냉각수와 열교환됨에 따라 냉각된다. 또한, 제2공조 열교환기(52)에는 가열기(20)를 통해 가열된 냉각수가 순환되어 유통되는 공기가 제2공조 열교환기(52)에서 냉각수와 열교환됨에 따라 가열되어 제습 효과가 발생된다. 이에 따라, 실내에는 제습된 제습공기를 제공할 수 있다.
한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명은 냉각수라인(200)은, 제2냉각수라인(220)에서 제5밸브(65)를 매개로 분기되며, 전장모듈(91), 라디에이터 열교환기(81), 제3워터펌프(73)를 포함하고, 가열기(20)와 열교환되도록 연결된 제3냉각수라인(230);이 더 구성될 수 있다.
또한, 냉각수라인(200)은, 제3냉각수라인(230)에서 제6밸브(66) 및 제7밸브(67)를 매개로 분기되며, 배터리모듈(92), 제4워터펌프(74)를 포함하는 제4냉각수라인(240);이 더 구성될 수 있다.
또한, 냉매라인(100)은, 압축기(10), 가열기(20), 제1팽창기(31), 냉각기(40)를 포함하는 제1냉매라인(110); 및 제1냉매라인(110)에서 분기되어 냉매를 공유하며, 냉매와 제4냉각수라인(240)에 순환되는 냉각수가 열교환되도록 하는 칠러(82), 제2팽창기(32)를 포함하는 제2냉매라인(120);으로 구성될 수 있다. 여기서, 제1냉매라인(110)에는 냉매 순환에 따른 성능 확보를 위해 별도의 열교환기(A)가 더 마련될 수 있으며, 어큐뮬레이터(B)가 더 마련될 수 있다.
이러한 제3냉각수라인(230), 제4냉각수라인(240), 제1냉매라인(110), 제2냉매라인(120)은 전장모듈(91)과 배터리모듈(92)의 냉각과 더불어 가열기(20) 및 칠러(82)를 통한 히트펌핑을 위한 것이다.
여기서, 제3냉각수라인(230)은 제3밸브(63)를 매개로 제2냉각수라인(220)과 연결될 수 있다. 이를 통해, 제3냉각수라인(230)에서 제5밸브(65)에 의해 냉각수가 전장모듈(91)을 통과함에 따라 전장모듈(91)이 냉각되고, 전장모듈(91)을 냉각한 냉각수는 라디에이터 열교환기(81)를 통해 냉각된 후 가열기(20)에서 열교환될 수 있다. 이로 인해, 가열기(20)에서 냉매는 냉각수와 열교환됨에 따라 온도가 감소됨에 따른 히트펌핑이 수행될 수 있다.
또한, 제4냉각수라인(240)에서 제6밸브(66) 및 제7밸브(67)에 의해 냉각수가 배터리모듈(92)을 통과시 배터리모듈(92)이 냉각될 수 있다. 이와 더불어, 칠러(82)를 통해 냉매와 냉각수의 열교환을 유도하여 히트펌핑이 수행될 수 있다.
이에 대해서 구체적으로 설명하면, 실내에 냉방공기를 제공해야하는 냉방모드의 경우, 제1팽창기(31)가 냉매를 팽창시키고, 제2팽창기(32)가 폐쇄되며, 제1냉각수라인(210)과 제2냉각수라인(220)에서 냉각수는 제1밸브(61), 제2밸브(62), 제3밸브(63), 제4밸브(64)의 전환에 의해 제1공조 열교환기(51), 제2공조 열교환기(52), 냉각기(40)에 순환되도록 한다.
또한, 제3냉각수라인(230)에서 냉각수는 제5밸브(65), 제6밸브(66), 제7밸브(67)에 의해 전장모듈(91), 라디에이터 열교환기(81), 가열기(20)에 순환될 수 있다.
즉, 도 6에서 볼 수 있듯이, 냉매라인(100)에서 냉매가 압축기(10), 가열기(20), 제1팽창기(31), 냉각기(40)를 순환한다.
또한, 제1냉각수라인(210)에서 냉각수는 제1밸브(61), 제2밸브(62)에 의해 제1공조 열교환기(51)와 냉각기(40)에 순환되고, 제2냉각수라인(220)에서 냉각수는 제3밸브(63), 제4밸브(64)에 의해 제2공조 열교환기(52)를 순환한다. 또한, 제1밸브(61), 제2밸브(62), 제3밸브(63), 제4밸브(64)는 제1냉각수라인(210)과 제2냉각수라인(220)에 냉각수가 공유되도록 동작된다.
이로 인해, 냉각수는 제1냉각수라인(210) 및 제2냉각수라인(220)에서 냉각기(40)를 통과하여 온도가 낮아지고, 온도가 낮아진 냉각수가 제1공조 열교환기(51)와 제2공조 열교환기(52)를 순환한다. 이에 따라, 제1공조 열교환기(51)와 제2공조 열교환기(52)를 통과하는 공기는 제1공조 열교환기(51)와 제2공조 열교환기(52)에서 냉각수와 열교환되어 냉각됨에 따라 냉방공기로서 실내에 제공될 수 있다.
이와 더불어, 제3냉각수라인(230)에서 라디에이터 열교환기(81)를 통해 냉각된 냉각수가 가열기(20)로 순환되어 냉매와 열교환됨에 따라 히트펌핑에 의한 냉각기(40)의 성능이 확보될 수 있다.
한편, 실내에 난방공기를 제공해야 하는 난방모드의 경우, 제1팽창기(31)가 폐쇄되고, 제2팽창기(32)가 냉매를 팽창시키며, 제1냉각수라인(210)과 제2냉각수라인(220)에서 냉각수는 제1밸브(61), 제2밸브(62), 제3밸브(63), 제4밸브(64)의 전환에 의해 제1공조 열교환기(51), 제2공조 열교환기(52), 가열기(20)로 순환된다.
또한, 제3냉각수라인(230)과 제4냉각수라인(240)에서 냉각수는 제5밸브(65), 제6밸브(66), 제7밸브(67)에 의해 전장모듈(91), 배터리모듈(92), 칠러(82)에 순환되도록 한다.
즉, 도 7에 도시된 바와 같이, 냉매라인(100)에서 냉매가 압축기(10), 가열기(20), 제2팽창기(32), 냉각기(40)를 순환한다.
또한, 제1냉각수라인(210)에서 냉각수는 제1밸브(61), 제2밸브(62)에 의해 냉각기(40)측으로 순환되지 않고 제1공조 열교환기(51)에만 순환되며, 제2냉각수라인(220)에서 냉각수는 제3밸브(63), 제4밸브(64)에 의해 가열기(20)와 제2공조 열교환기(52)를 순환한다. 또한, 제1밸브(61), 제2밸브(62), 제3밸브(63), 제4밸브(64)는 제1냉각수라인(210)과 제2냉각수라인(220)에 냉각수가 공유되도록 동작된다.
이로 인해, 냉각수는 제1냉각수라인(210) 및 제2냉각수라인(220)에서 가열기(20)를 통과하여 온도가 높아지고, 온도가 높아진 냉각수가 제1공조 열교환기(51)와 제2공조 열교환기(52)를 순환한다. 이에 따라, 제1공조 열교환기(51)와 제2공조 열교환기(52)를 통과하는 공기는 제1공조 열교환기(51)와 제2공조 열교환기(52)에서 냉각수와 열교환되어 가열됨에 따라 난방공기로서 실내에 제공될 수 있다.
이와 더불어, 제4냉각수라인(240)에서 순환되는 냉각수는 전장모듈(91)과 배터리모듈(92)을 냉각하게 된다. 이렇게, 전장모듈(91)과 배터리모듈(92)을 냉각하여 온도가 높아진 냉각수는 칠러(82)를 통해 냉매와 열교환됨에 따라 냉각되어 다시 전장모듈(91)과 배터리모듈(92)의 냉각을 수행할 수 있다. 또한, 칠러(82)에서 냉매와 냉각수가 열교환되어 칠러(82)가 냉매라인(100)에서의 증발기 역할을 수행하게 된다. 여기서, 배터리모듈(92)의 경우 요구 온도 조건에 따라 제6밸브(66) 및 제7밸브(67)에 의해 냉각수가 선택적으로 순환될 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 전기차량용 공조 시스템은 공조공기의 냉난방을 위한 열원이 냉각수로 통일되고, 냉각수만으로 냉방성능 및 난방성능을 모두 확보하며, 전체 패키지가 축소된다.
즉, 제1공조 열교환기와 제2공조 열교환기를 통해 공기의 온도가 조절됨에 따라 별도의 온도조절 도어 없이, 냉난방 모드를 포함한 각종 공조모드의 구현이 가능하다. 이로 인해, 본 발명은 공조기의 전체 사이즈가 축소된다.
또한, 냉난방시, 제1공조 열교환기와 제2공조 열교환기를 통합하여 활용함으로써 열교환기의 사이즈가 축소되어 실내 공간을 확보할 수 있고, 각 열교환기의 사이즈를 키우지 않고도 공조 성능을 확보할 수 있다.
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:냉매라인 110:제1냉매라인
120:제2냉매라인 200:냉각수라인
210:제1냉각수라인 220:제2냉각수라인
230:제3냉각수라인 240:제4냉각수라인
10:압축기 20:가열기
30:팽창기 31:제1팽창기
32:제2팽창기 40:냉각기
51:제1공조 열교환기 52:제2공조 열교환기
60:밸브 61:제1밸브
62:제2밸브 63:제3밸브
64:제4밸브 65:제5밸브
66:제6밸브 67:제7밸브
71:제1워터펌프 72:제2워터펌프
73:제3워터펌프 74:제4워터펌프
81:라디에이터 열교환기 82:칠러
91:전장모듈 92:배터리모듈

Claims (15)

  1. 열교환을 통해 가열을 수행하는 가열기;
    열교환을 통해 냉각을 수행하는 냉각기; 및
    냉각수가 순환되고, 공기를 냉각 또는 난방시키는 제1공조 열교환기와 제2공조 열교환기를 포함하며, 냉각수가 복수개의 밸브에 의해 냉각기 또는 가열기에서 열교환되는 냉각수라인;을 포함함으로써,
    공기의 냉방 또는 난방 여부에 따라, 각 밸브의 전환에 의해 냉각수라인의 냉각수가 냉각기 또는 가열기에서 열교환되고, 제1공조 열교환기와 제2공조 열교환기를 통해 냉각수가 공기와 열교환됨으로써 실내에 온도 조절된 공조공기가 제공되는 것을 특징으로 하는 전기차량용 공조 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    냉매가 순환되며, 압축기, 가열기, 팽창기, 냉각기를 포함하는 냉매라인;을 더 포함하고, 가열기는 콘덴서이며, 냉각기는 증발기인 것을 특징으로 하는 전기차량용 공조 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    냉각수라인은, 제1공조 열교환기, 제1워터펌프, 제1밸브, 제2밸브를 포함하며, 냉각기와 열교환되도록 연결된 제1냉각수라인; 및
    제2냉각수라인에 연결되며, 제2공조 열교환기, 제2워터펌프, 제3밸브, 제4밸브를 포함하며, 가열기와 열교환되도록 연결된 제2냉각수라인;이 구성된 것을 특징으로 하는 전기차량용 공조 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    제1밸브와 제2밸브는 제1냉각수라인에서 제1공조 열교환기의 전후단에 각각 배치되고,
    제3밸브와 제4밸브는 제2냉각수라인에서 제2공조 열교환기의 전후단에 각각 배치되며,
    제1밸브와 제3밸브, 제2밸브와 제4밸브의 연결을 통해 제1냉각수라인과 제2냉각수라인이 서로 연결된 것을 특징으로 하는 전기차량용 공조 시스템.
  5. 청구항 3에 있어서,
    실내에 냉방공기를 제공해야하는 경우, 냉매라인에서 냉매는 압축기, 가열기, 팽창기, 냉각기에 순환되고,
    제1냉각수라인과 제2냉각수라인에서 냉각수는 제1밸브, 제2밸브, 제3밸브, 제4밸브의 전환에 의해 제1공조 열교환기, 제2공조 열교환기, 냉각기에 순환되는 것을 특징으로 하는 전기차량용 공조 시스템.
  6. 청구항 3에 있어서,
    실내에 난방공기를 제공해야 하는 경우, 냉매라인에서 냉매는 압축기, 가열기, 팽창기, 냉각기에 순환되고,
    제1냉각수라인과 제2냉각수라인에서 냉각수는 제1밸브, 제2밸브, 제3밸브, 제4밸브의 전환에 의해 제1공조 열교환기, 제2공조 열교환기, 가열기로 순환되는 것을 특징으로 하는 전기차량용 공조 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    제2냉각수라인에는 냉각수 히터가 더 포함되고, 실내에 난방공기를 제공시 냉각수의 온도에 따라 동작이 결정되는 것을 특징으로 하는 전기차량용 공조 시스템.
  8. 청구항 3에 있어서,
    실내에 제습공기를 제공해야 하는 경우, 냉매라인에서 냉매는 압축기, 가열기, 팽창기, 냉각기에 순환되며,
    제1냉각수라인에서 냉각수가 제1밸브와 제2밸브에 의해 제1공조 열교환기와 냉각기로 순환되고, 제2냉각수라인에서 냉각수가 제3밸브, 제4밸브에 의해 제2공조 열교환기와 가열기로 순환되는 것을 특징으로 하는 전기차량용 공조 시스템.
  9. 청구항 3에 있어서,
    냉각수라인은, 제2냉각수라인에서 제5밸브를 매개로 분기되며, 전장모듈, 라디에이터 열교환기, 제3워터펌프를 포함하고, 가열기와 열교환되도록 연결된 제3냉각수라인;을 더 구성된 것을 특징으로 하는 전기차량용 공조 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    냉각수라인은, 제3냉각수라인에서 제6밸브 및 제7밸브를 매개로 분기되며, 배터리모듈, 제4워터펌프를 포함하는 제4냉각수라인;이 더 구성된 것을 특징으로 하는 전기차량용 공조 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    냉매라인은,
    압축기, 가열기, 제1팽창기, 냉각기를 포함하는 제1냉매라인; 및
    제1냉매라인에서 분기되어 냉매를 공유하며, 냉매와 제4냉각수라인에 순환되는 냉각수가 열교환되도록 하는 칠러, 제2팽창기를 포함하는 제2냉매라인;으로 구성된 것을 특징으로 하는 전기차량용 공조 시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    실내에 냉방공기를 제공해야하는 경우, 제1팽창기가 냉매를 팽창시키고, 제2팽창기가 폐쇄되며,
    제1냉각수라인과 제2냉각수라인에서 냉각수는 제1밸브, 제2밸브, 제3밸브, 제4밸브의 전환에 의해 제1공조 열교환기, 제2공조 열교환기, 냉각기에 순환되는 것을 특징으로 하는 전기차량용 공조 시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    제3냉각수라인에서 냉각수는 제5밸브, 제6밸브, 제7밸브에 의해 전장모듈, 라디에이터 열교환기, 가열기에 순환되는 것을 특징으로 하는 전기차량용 공조 시스템.
  14. 청구항 11에 있어서,
    실내에 난방공기를 제공해야 하는 경우, 제1팽창기가 폐쇄되고, 제2팽창기가 냉매를 팽창시키며,
    제1냉각수라인과 제2냉각수라인에서 냉각수는 제1밸브, 제2밸브, 제3밸브, 제4밸브의 전환에 의해 제1공조 열교환기, 제2공조 열교환기, 가열기로 순환되는 것을 특징으로 하는 전기차량용 공조 시스템.
  15. 청구항 14에 있어서,
    제3냉각수라인과 제4냉각수라인에서 냉각수는 제5밸브, 제6밸브, 제7밸브에 의해 전장모듈, 배터리모듈, 칠러에 순환되는 것을 특징으로 하는 전기차량용 공조 시스템.
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