KR20230020285A - 차량용 열관리시스템 - Google Patents

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김태한
심홍록
김철민
이강종
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현대자동차주식회사
기아 주식회사
주식회사 두원공조
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Abstract

개시된 차량용 열관리시스템은, 제1압축기 및 상기 제1압축기에 유체적으로 연결된 제1냉매루프를 가진 제1냉동사이클을 포함한 공조 서브시스템; 배터리팩에 유체적으로 연결된 배터리 냉각수루프를 포함한 배터리 냉각서브시스템; 파워트레인 컴포넌트에 유체적으로 연결된 파워트레인 냉각수루프를 포함한 파워트레인 냉각서브시스템; 제2압축기와, 상기 제2압축기의 하류지점에 위치한 응측기와, 상기 응축기에 유체적으로 연결된 제2냉매루프를 가진 제2냉동사이클; 상기 제1냉동사이클 및 상기 제2냉동사이클 사이에서 열을 전달하도록 구성된 냉매칠러; 및 상기 제2냉동사이클 및 상기 배터리 냉각수루프 사이에서 열을 전달하도록 구성된 배터리칠러;를 포함할 수 있다. 상기 제2냉동사이클의 응축기는 상기 배터리 냉각수루프 및 상기 파워트레인 냉각수루프 중에서 적어도 하나에 열적으로 연결될 수 있다.

Description

차량용 열관리시스템{VEHICLE THERMAL MANAGEMENT SYSTEM}
본 발명은 차량용 열관리시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배터리의 냉각 성능을 향상할 수 있는 차량용 열관리시스템에 관한 것이다.
최근 에너지 효율과 환경오염 문제에 대한 관심이 날로 커지면서 내연기관 자동차를 실질적으로 대체할수 있는 친환경 자동차의 개발이 요구되고 있으며, 이러한 친환경 자동차는 보통 연료전지나 전기를 동력원으로 하여 구동되는 전기 자동차나, 엔진과 배터리를 이용하여 구동되는 하이브리드(Hybrid) 차량으로 구분된다.
기존의 전기차량 및 하이브리드차량은 실내의 차가운 공기를 이용한 공랭식 배터리 냉각시스템을 적용하여 왔으며, 최근에는 300km(200마일) 이상으로 AER(All Electric Range)를 연장하기 위하여 배터리를 수냉식으로 냉각하는 수냉식 배터리 냉각시스템에 대한 연구가 진행중에 있다. 구체적으로, 공조시스템 및 라디에이터 등을 이용하여 배터리를 수냉식으로 냉각하는 구조를 채택함으로써 에너지 밀도를 증대시킬 수 있다. 또한, 수냉식 배터리냉각시스템은 배터리셀들 사이의 간격을 줄임으로써 컴팩트한 배터리시스템(battery system)을 구현할 수 있고, 배터리셀들 사이의 온도를 균일하게 유지함으로써 배터리의 성능 및 내구성을 향상할 수 있다.
상술한 수냉식 배터리냉각시스템을 구현하기 위하여 전기모터 및 전장부품을 냉각하는 파워트레인 냉각서브시스템(power train cooling subsystem)과, 배터리를 냉각하는 배터리 냉각서브시스템(battery cooling subsystem)과, 차량의 승객실의 공기를 가열 내지 냉각하는 공조 서브시스템을 통합한 차량용 열관리시스템에 대한 연구가 진행되고 있다.
차량용 열관리시스템은 공조 서브시스템의 냉동사이클 및 배터리 냉각수루프 사이에서 열을 전달하도록 구성된 배터리칠러를 포함한다. 배터리 냉각서브시스템은 배터리칠러가 냉동사이클을 이용하여 배터리 냉각수를 냉각시키고, 배터리칠러에 의해 냉각된 배터리 냉각수가 배터리를 냉각하도록 구성된 간접 냉각시스템을 채택한다.
종래의 차량용 열관리시스템은 공조 서브시스템의 공조(air conditioning)가 안정적으로 진행된 이후에 배터리의 냉각을 실행하도록 구성된다. 최근에는, 전기차의 급속충전, 고성능 전기차 개발 등으로 인해 배터리로부터 발생된 열이 상대적으로 증가하므로, 그 배터리 열관리가 더욱 중요해진다.
하지만, 종래의 차량용 열관리시스템은 냉동사이클 및 배터리칠러에 의해서 배터리 냉각수를 냉각하는 냉각성능이 상대적으로 낮으므로, 배터리 냉각성능이 상대적으로 낮은 단점이 있었다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래 기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 안출한 것으로, 공조 서브시스템의 제1냉동사이클에 대해 유체적으로 분리된 제2냉동사이클을 이용하여 배터리 냉각수루프를 순환하는 배터리 냉각수의 냉각성능을 향상시킴으로써 배터리의 냉각성능을 개선할 수 있는 차량용 열관리시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 차량용 열관리시스템은, 제1압축기 및 상기 제1압축기에 유체적으로 연결된 제1냉매루프를 가진 제1냉동사이클을 포함한 공조 서브시스템; 배터리팩에 유체적으로 연결된 배터리 냉각수루프를 포함한 배터리 냉각서브시스템; 파워트레인 컴포넌트에 유체적으로 연결된 파워트레인 냉각수루프를 포함한 파워트레인 냉각서브시스템; 제2압축기와, 상기 제2압축기의 하류지점에 위치한 응측기와, 상기 응축기에 유체적으로 연결된 제2냉매루프를 가진 제2냉동사이클; 상기 제1냉동사이클 및 상기 제2냉동사이클 사이에서 열을 전달하도록 구성된 냉매칠러; 및 상기 제2냉동사이클 및 상기 배터리 냉각수루프 사이에서 열을 전달하도록 구성된 배터리칠러;를 포함할 수 있다. 상기 제2냉동사이클의 응축기는 상기 배터리 냉각수루프 및 상기 파워트레인 냉각수루프 중에서 적어도 하나에 열적으로 연결될 수 있다.
이와 같이, 제1냉동사이클이 냉매칠러를 통해 제2냉동사이클에 열적으로 연결되고, 제2냉동사이클이 배터리칠러를 통해 배터리 냉각수루프에 열적으로 연결되며, 제2냉동사이클의 응축기가 배터리 냉각수 또는 파워트레인 냉각수에 의해 응축되도록 구성됨으로써 응축기의 효율 및 제2냉동사이클의 성능이 향상될 수 있고, 이를 통해 배터리팩에 대한 냉각성능이 대폭 개선될 수 있다.
상기 제1냉동사이클은, 상기 제1압축기의 하류에 위치한 내측 응축기와, 상기 내측 응축기의 하류에 위치한 외측 열교환기와, 상기 외측 열교환기의 하류에 위치한 냉방측 팽창밸브와, 상기 냉방측 팽창밸브의 하류에 위치한 증발기를 포함할 수 있다. 상기 냉매칠러 및 상기 증발기는 상기 외측 열교환기 및 상기 제1압축기 사이에서 병렬로 연결될 수 있다.
이에 따라, 제1냉매는 냉매칠러 및 증발기로 선택적으로 분배될 수 있다.
상기 제1냉동사이클은 상기 제1냉매루프로부터 분기된 분기도관을 더 포함하고, 상기 냉매칠러는 상기 분기도관 및 상기 제2냉매루프 사이에서 열을 전달하도록 구성된다.
상기 냉매칠러는 상기 분기도관에 유체적으로 연결된 제1통로와, 상기 제2냉매루프에 유체적으로 연결된 제2통로를 포함할 수 있다.
이에 따라, 냉매칠러는 제1통로를 통과하는 제1냉매 및 제2통로를 통과하는 제2냉매 사이에서 열을 전달할 수 있다. 제2통로를 통과하는 제2냉매의 온도가 제1통로를 통과하는 제1냉매의 온도 보다 상대적으로 높으므로 열이 제2통로를 통과하는 제2냉매로부터 제1통로를 통과하는 제1냉매로 전달되고, 이에 냉매칠러의 제2통로를 통과하는 제2냉매는 냉각되고 응축되며, 냉매칠러의 제1통로를 통과하는 제1냉매는 증발(기화)된다. 냉매칠러의 제1통로는 제1냉동사이클에서 증발기의 기능을 하고, 냉매칠러의 제2통로는 제2냉동사이클에서 응축기의 기능을 한다. 이를 통해, 냉매칠러는 제1냉매를 증발시키는 증발기 및 제2냉매를 응축시키는 응축기를 통합한 구조로 구성될 수 있다.
상기 제1냉동사이클은 상기 냉매칠러의 상류에 위치한 제1칠러측 팽창밸브를 포함할 수 있다.
이에 따라, 제1냉매의 일부는 냉방측 팽창밸브를 통해 증발기로 흘러들어갈 수 있고, 제1냉매의 나머지는 제1칠러측 팽창밸브를 거쳐 냉매칠러로 흘러들어갈 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 차량용 열관리시스템은, 상기 공조 서브시스템의 제1냉매루프와, 상기 배터리 냉각서브시스템의 배터리 냉각수루프와, 상기 파워트레인 냉각서브시스템의 파워트레인 냉각수루프 사이에서 열을 전달하도록 구성된 수냉식 열교환기를 더 포함할 수 있다.
상기 수냉식 열교환기는 상기 제1냉매루프와 유체적으로 연결된 제1통로와, 상기 배터리 냉각수루프와 유체적으로 연결된 제2통로와, 상기 파워트레인 냉각수루프와 유체적으로 연결된 제3통로를 포함할 수 있다. 상기 제1냉동사이클은 상기 수냉식 열교환기의 제1통로의 상류 측에 위치한 난방측 팽창밸브를 포함할 수 있다.
이에 의해, 제1냉매루프를 순환하는 제1냉매는 배터리 냉각서브시스템의 배터리 냉각수루프를 순환하는 배터리 냉각수 및 파워트레인 냉각서브시스템의 파워트레인 냉각수루프를 순환하는 파워트레인 냉각수와 열교환할 수 있다. 수냉식 열교환기는, 공조 서브시스템의 난방작동 시에, 파워트레인 냉각서브시스템 및 배터리 냉각서브시스템으로부터 전달받은 열에 의해 내측 응축기로부터 공급받은 냉매를 증발시킬 수 있다. 그리고, 수냉식 열교환기는, 공조 서브시스템의 냉방작동 시에, 내측 응축기로부터 공급받은 냉매를 응축할 수 있다.
상기 배터리칠러는 상기 배터리 냉각수루프에 유체적으로 연결된 제1통로와, 상기 제2냉매루프에 유체적으로 연결된 제2통로를 포함할 수 있다. 상기 제1통로는 상기 배터리 냉각수루프 상에서 상기 배터리팩의 하류에 위치할 수 있고, 상기 제2통로는 제2냉매루프 상에서 냉매칠러의 하류에 위치할 수 있다.
이에 따라, 배터리칠러의 제2통로는 냉매칠러의 제2냉매통로로부터 제2냉매를 수용받을 수 있고, 제2통로를 통과하는 제2냉매의 온도가 제1통로를 통과하는 배터리 냉각수의 온도 보다 낮으므로 배터리 냉각수는 배터리칠러에 의해 냉각될 수 있으며, 배터리칠러에 의해 냉각된 배터리 냉각수는 제1배터리펌프에 의해 배터리팩의 냉각수통로를 흘러들어감으로써 배터리팩이 최적으로 냉각될 수 있다.
상기 제2냉동사이클은 상기 배터리칠러의 제2통로의 상류 측에 위치한 제2칠러측 팽창밸브를 포함할 수 있다.
이에 따라, 제2칠러측 팽창밸브는 배터리칠러의 제2통로로 유입되는 냉매의 흐름 내지 유량 등을 조절할 수 있고, 제2칠러측 팽창밸브는 냉매칠러로부터 수용받은 냉매를 팽창시킬 수 있다.
상기 응축기는 상기 배터리 냉각수루프에 유체적으로 연결된 제1통로와, 상기 제2냉매루프에 유체적으로 연결된 제2통로를 포함할 수 있다.
이에 따라, 응축기는 배터리 냉각수에 의해 제2압축기로부터 수용된 제2냉매 사이에서 열을 냉각하고 응축할 수 있고, 응축기의 응축효율이 대폭 개선될 수 있다.
상기 응축기의 제1통로는 상기 배터리 냉각수루프 상에서 상기 수냉식 열교환기의 제2통로의 상류에 위치할 수 있다.
이와 같이, 응축기의 제1통로가 수냉식 열교환기의 제2통로의 상류지점에 위치함에 따라 응축기에서 승온된 배터리 냉각수는 수냉식 열교환기에서 제1냉매를 기화시키기 위한 충분한 열원으로 제공될 수 있고, 이에 공조 서브시스템의 난방작동 시에 그 난방열원을 충분히 확보할 수 있다.
상기 배터리 냉각서브시스템은 상기 배터리팩의 하류에 위치한 배터리칠러와, 상기 배터리칠러의 하류에 위치한 배터리 라디에이터와, 배터리 냉각수가 상기 배터리 라디에이터를 우회함을 허용하는 제1배터리 바이패스도관과, 배터리 냉각수가 상기 배터리팩 및 상기 배터리칠러를 우회함을 허용하는 제2배터리 바이패스도관과, 배터리 냉각수의 흐름방향을 조절하는 쓰리웨이밸브를 포함할 수 있다.
구체적인 실시예에 따르면, 상기 응축기의 제1통로는 상기 제2배터리 바이패스도관에 유체적으로 연결될 수 있다.
이에 따라, 배터리 라디에이터를 통해 외기와 열교환하는 배터리 냉각수가 응축기의 제1통로를 통과함으로써 응축기의 제2통로를 통과하는 제2냉매는 배터리 냉각수에 의해 냉각되고 응축될 수 있다.
상기 응축기의 제1통로는 상기 배터리 냉각수루프 상에서 상기 수냉식 열교환기의 제2통로의 하류에 위치할 수 있다.
구체적인 실시예에 따르면, 상기 응축기의 제1통로는 상기 배터리 냉각수루프 상에서 상기 배터리 라디에이터 및 상기 수냉식 열교환기의 제2통로 사이에 위치할 수 있다.
이와 같이, 배터리 냉각서브시스템의 배터리 냉각수루프 상에서 수냉식 열교환기의 제2통로가 제2냉동사이클의 응축기 보다 상류에 위치함으로써 수냉식 열교환기에 의한 제1냉매의 응축 또는 증발(기화)이 응축기에 의한 제2냉매의 응축 보다 우선적으로 확보할 수 있다.
상기 응축기는 상기 파워트레인 냉각수루프에 유체적으로 연결된 제1통로와, 상기 제2냉매루프에 유체적으로 연결된 제2통로를 포함할 수 있다.
이에 따라, 응축기는 파워트레인 냉각수에 의해 제2압축기로부터 수용된 제2냉매 사이에서 열을 냉각하고 응축할 수 있고, 응축기의 응축효율이 대폭 개선될 수 있다.
상기 응축기의 제1통로는 상기 파워트레인 냉각수루프 상에서 상기 수냉식 열교환기의 제3통로의 상류에 위치할 수 있다.
구체적으로, 상기 응축기의 제1통로는 파워트레인 냉각수루프 상에서 상기 파워트레인 컴포넌트 및 상기 수냉식 열교환기의 제3통로 사이에 위치할 수 있다.
이와 같이, 응축기의 제1통로가 수냉식 열교환기의 제3통로의 상류지점에 위치함에 따라 응축기에서 승온된 파워트레인 냉각수는 수냉식 열교환기에서 제1냉매를 기화시키기 위한 충분한 열원으로 제공될 수 있고, 이에 공조 서브시스템의 난방작동 시에 그 난방열원을 충분히 확보할 수 있다.
상기 응축기의 제1통로는 상기 배터리 냉각수루프 상에서 상기 수냉식 열교환기의 제3통로의 하류에 위치할 수 있다.
구체적인 실시예에 따르면, 상기 응축기의 제1통로는 상기 파워트레인 냉각수루프 상에서 상기 파워트레인 라디에이터 및 상기 수냉식 열교환기의 제3통로 사이에 위치할 수 있다.
이와 같이, 파워트레인 냉각수루프 상에서 수냉식 열교환기의 제3통로가 제2냉동사이클의 응축기의 제1통로 보다 상류에 위치함으로써 수냉식 열교환기에 의한 제1냉매의 응축 또는 증발(기화)이 응축기에 의한 제2냉매의 응축 보다 우선적으로 확보할 수 있다.
본 발명에 의하면, 공조 서브시스템의 제1냉동사이클에 대해 독립적으로 구성된 제2냉동사이클이 배터리 냉각수루프를 순환하는 배터리 냉각수를 직접적으로 냉각하도록 구성됨으로써 배터리의 냉각 및 공조 서브시스템의 작동에 대해 효율적을 대응할 수 있다. 즉, 배터리 냉각수루프를 순환하는 냉각수가 제1냉동사이클 및또는 제2냉동사이클에 의해 냉각될 수 있으므로 배터리팩의 냉각성능이 개선될 수 있다.
특히, 제2냉동사이클은 배터리 냉각수 또는 파워트레인 냉각수에 의해 제2냉매를 응축하도록 구성된 응축기를 포함하고 있으며, 이에 따라 제2냉동사이클은 효율적인 패키징을 구현할 수 있다.
본 발명에 의하면, 제2냉동사이클이 냉매칠러를 통해 공조 서브시스템의 제1냉동사이클에 열적으로 연결되고, 제2냉동사이클이 배터리칠러를 통해 배터리 냉각서브시스템의 배터리 냉각수루프에 열적으로 연결됨으로써 제1냉동사이클, 제2냉동사이클, 및 배터리 냉각서브시스템은 캐스케이스 냉동사이클을 구성할 수 있고, 이를 통해 공조 서브시스템의 작동 및 배터리팩의 냉각이 동시에 이루어지거나 독립적으로 이루어질 수 있다.
또한, 공조 서브시스템의 부하가 안정화된 이후에는 냉매칠러 측으로 유입되는 제1냉매의 유량을 상대적으로 증가시킬 수 있고, 이를 통해 배터리칠러의 성능을 증가할 수 있으며, 제2냉매는 냉매칠러 및 배터리칠러를 통해 배터리 냉각수루프를 순환하는 배터리 냉각수의 냉각성능을 향상시킬 수 있고, 이를 통해 배터리팩의 냉각성능이 더욱 개선될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 열관리시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 차량용 열관리시스템에서, 공조 서브시스템이 냉방모드로 작동할 때, 배터리팩이 제2냉동사이클 및 배터리 냉각서브시스템에 의해 냉각되는 것을 도시한 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 차량용 열관리시스템에서, 공조 서브시스템이 냉방모드로 작동할 때, 배터리팩이 공조 서브시스템의 제1냉동사이클, 제2냉동사이클, 및 배터리 냉각서브시스템에 의해 냉각되는 것을 도시한 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 차량용 열관리시스템에서, 공조 서브시스템의 제1압축기가 작동하지 않을 때, 배터리팩이 제2냉동사이클, 및 배터리 냉각서브시스템에 의해 냉각되는 것을 도시한 도면이다.
도 5는 도 1에 도시된 차량용 열관리시스템에서, 공조 서브시스템이 냉방모드 및 난방모드로 작동하지 않을 때, 배터리팩이 공조 서브시스템의 제1냉동사이클, 제2냉동사이클, 및 배터리 냉각서브시스템에 의해 냉각되는 것을 도시한 도면이다.
도 6은 도 1에 도시된 차량용 열관리시스템에서, 공조 서브시스템이 난방모드로 작동할 때, 배터리팩이 냉각되지 않는 것을 도시한 도면이다.
도 7은 도 1에 도시된 차량용 열관리시스템에서, 공조 서브시스템이 난방모드로 작동할 때, 배터리팩이 배터리 냉각서브시스템, 및 제2냉동사이클에 의해 냉각되는 것을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 열관리시스템을 도시한 도면이다.
도 9는 도 8에 도시된 차량용 열관리시스템에서, 공조 서브시스템이 냉방모드로 작동할 때, 배터리팩이 제2냉동사이클 및 배터리 냉각서브시스템에 의해 냉각되는 것을 도시한 도면이다.
도 10은 도 8에 도시된 차량용 열관리시스템에서, 공조 서브시스템이 냉방모드로 작동할 때, 배터리팩이 공조 서브시스템의 제1냉동사이클, 제2냉동사이클, 및 배터리 냉각서브시스템에 의해 냉각되는 것을 도시한 도면이다.
도 11은 도 8에 도시된 차량용 열관리시스템에서, 공조 서브시스템의 제1압축기가 작동하지 않을 때, 배터리팩이 제2냉동사이클, 및 배터리 냉각서브시스템에 의해 냉각되는 것을 도시한 도면이다.
도 12는 도 8에 도시된 차량용 열관리시스템에서, 공조 서브시스템이 냉방모드 및 난방모드로 작동하지 않을 때, 배터리팩이 공조 서브시스템의 제1냉동사이클, 제2냉동사이클, 및 배터리 냉각서브시스템에 의해 냉각되는 것을 도시한 도면이다.
도 13은 도 8에 도시된 차량용 열관리시스템에서, 공조 서브시스템이 난방모드로 작동할 때, 배터리팩이 냉각되지 않는 것을 도시한 도면이다.
도 14는 도 8에 도시된 차량용 열관리시스템에서, 공조 서브시스템이 난방모드로 작동할 때, 배터리팩이 배터리 냉각서브시스템, 및 제2냉동사이클에 의해 냉각되는 것을 도시한 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 열관리시스템을 도시한 도면이다.
도 16은 도 15에 도시된 차량용 열관리시스템에서, 공조 서브시스템이 냉방모드로 작동할 때, 배터리팩이 제2냉동사이클, 배터리 냉각서브시스템, 및 파워트레인 냉각서브시스템에 의해 냉각되는 것을 도시한 도면이다.
도 17은 도 15에 도시된 차량용 열관리시스템에서, 공조 서브시스템이 냉방모드로 작동할 때, 배터리팩이 공조 서브시스템의 제1냉동사이클, 제2냉동사이클, 배터리 냉각서브시스템, 및 파워트레인 냉각서브시스템에 의해 냉각되는 것을 도시한 도면이다.
도 18은 도 15에 도시된 차량용 열관리시스템에서, 공조 서브시스템의 제1압축기가 작동하지 않을 때, 배터리팩이 제2냉동사이클, 배터리 냉각서브시스템, 및 파워트레인 냉각서브시스템에 의해 냉각되는 것을 도시한 도면이다.
도 19는 도 15에 도시된 차량용 열관리시스템에서, 공조 서브시스템이 냉방모드 및 난방모드로 작동하지 않을 때, 배터리팩이 공조 서브시스템의 제1냉동사이클, 제2냉동사이클, 배터리 냉각서브시스템, 및 파워트레인 냉각서브시스템에 의해 냉각되는 것을 도시한 도면이다.
도 20은 도 15에 도시된 차량용 열관리시스템에서, 공조 서브시스템이 난방모드로 작동할 때, 배터리팩이 냉각되지 않는 것을 도시한 도면이다.
도 21은 도 15에 도시된 차량용 열관리시스템에서, 공조 서브시스템이 난방모드로 작동할 때, 배터리팩이 배터리 냉각서브시스템, 제2냉동사이클, 및 파워트레인 냉각서브시스템에 의해 냉각되는 것을 도시한 도면이다.
도 22는 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 열관리시스템을 도시한 도면이다.
도 23은 도 22에 도시된 차량용 열관리시스템에서, 공조 서브시스템이 냉방모드로 작동할 때, 배터리팩이 제2냉동사이클, 배터리 냉각서브시스템, 및 파워트레인 냉각서브시스템에 의해 냉각되는 것을 도시한 도면이다.
도 24는 도 22에 도시된 차량용 열관리시스템에서, 공조 서브시스템이 냉방모드로 작동할 때, 배터리팩이 공조 서브시스템의 제1냉동사이클, 제2냉동사이클, 배터리 냉각서브시스템, 및 파워트레인 냉각서브시스템에 의해 냉각되는 것을 도시한 도면이다.
도 25는 도 22에 도시된 차량용 열관리시스템에서, 공조 서브시스템의 제1압축기가 작동하지 않을 때, 배터리팩이 제2냉동사이클, 배터리 냉각서브시스템, 및 파워트레인 냉각서브시스템에 의해 냉각되는 것을 도시한 도면이다.
도 26은 도 22에 도시된 차량용 열관리시스템에서, 공조 서브시스템이 냉방모드 및 난방모드로 작동하지 않을 때, 배터리팩이 공조 서브시스템의 제1냉동사이클, 제2냉동사이클, 배터리 냉각서브시스템, 및 파워트레인 냉각서브시스템에 의해 냉각되는 것을 도시한 도면이다.
도 27은 도 22에 도시된 차량용 열관리시스템에서, 공조 서브시스템이 난방모드로 작동할 때, 배터리팩이 냉각되지 않는 것을 도시한 도면이다.
도 28는 도 22에 도시된 차량용 열관리시스템에서, 공조 서브시스템이 난방모드로 작동할 때, 배터리팩이 배터리 냉각서브시스템, 제2냉동사이클, 및 파워트레인 냉각서브시스템에 의해 냉각되는 것을 도시한 도면이다.
도 29는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 열관리시스템의 제1냉동사이클 및 제2냉동사이클을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 30은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 열관리시스템의 PH선도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 차량용 열관리시스템은, 제1냉매가 순환하는 제1냉매루프(22)를 포함한 공조 서브시스템(11, HVAC subsystem)과, 배터리팩(32)을 냉각하기 위한 배터리측 냉각수가 순환하는 배터리 냉각수루프(31)를 포함한 배터리 냉각서브시스템(12, battery cooling subsystem)과, 파워트레인 컴포넌트(전기모터, 전장부품 등)을 냉각하기 위한 파워트레인측 냉각수가 순환하는 파워트레인 냉각수루프(41)를 포함한 파워트레인 냉각서브시스템(13, power train cooling subsystem)을 포함할 수 있다.
공조 서브시스템(11)은 제1냉동사이클(21) 및 공조덕트(28)를 포함할 수 있다. 제1냉동사이클(21)은 제1냉매가 순환하는 제1냉매루프(22)를 포함할 수 있다. 제1냉매루프(22)는 제1압축기(23), 내측 응축기(24, interior condenser), 외측 열교환기(25, exterior condenser), 난방측 팽창밸브(54), 수냉식 열교환기(70), 냉방측 팽창밸브(26), 및 증발기(27)에 유체적으로 연결될 수 있다. 제1냉매는 제1냉매루프(22)를 통해 제1압축기(23), 내측 응축기(24), 외측 열교환기(25), 난방측 팽창밸브(54), 수냉식 열교환기(70), 냉방측 팽창밸브(26), 및 증발기(27)를 순차적으로 통과할 수 있다.
제1압축기(23)는 제1냉매를 압축하도록 구성될 수 있다. 특히, 제1압축기(23)는 증발기(27) 및/또는 냉매칠러(52)로부터 공급받은 냉매를 압축하도록 구성될 수 있다. 일 예에 따르면, 제1압축기(23)는 전기에너지에 의해 구동하는 전동식 압축기일 수 있다.
공조 서브시스템(11)은 제1냉매루프(22) 상에서 제1압축기(23)의 상류에 배치된 어큐뮬레이터(23a)를 더 포함할 수 있다. 어큐뮬레이터(23a)는 증발기(27) 및 제1압축기(23) 사이에 위치할 수 있고, 어큐뮬레이터(23a)는 증발기(27)로부터 수용된 냉매에서 액상의 냉매를 분리함으로써 제1압축기(23) 내로 액상의 냉매가 유입됨을 방지하도록 구성될 수 있다.
내측 응축기(24)는 공조덕트(28)의 내부에 배치될 수 있다. 내측 응축기(24)는 제1압축기(23)로부터 수용받은 제1냉매를 1차적으로 응축하도록 구성될 수 있고, 이에 내측 응축기(24)를 통과하는 공기는 내측 응축기(24)에 의해 가열될 수 있다.
수냉식 열교환기(70)는 공조 서브시스템(11)의 제1냉매루프(22), 배터리 냉각서브시스템(12)의 배터리 냉각수루프(31), 및 파워트레인 냉각서브시스템(13)의 파워트레인 냉각수루프(41) 사이에서 열을 전달하도록 구성될 수 있다. 이에 의해, 제1냉매루프(22)를 순환하는 제1냉매는 배터리 냉각서브시스템(12)의 배터리 냉각수루프(31)를 순환하는 배터리 냉각수 및 파워트레인 냉각서브시스템(13)의 파워트레인 냉각수루프(41)를 순환하는 파워트레인 냉각수와 열교환할 수 있다. 구체적으로, 수냉식 열교환기(70)는 제1냉매루프(22) 상에서 내측 응축기(24) 및 외측 열교환기(25) 사이에 배치될 수 있다. 수냉식 열교환기(70)는 제1냉매루프(22)와 유체적으로 연결된 제1통로(71)와, 배터리 냉각수루프(31)와 유체적으로 연결된 제2통로(72)와, 파워트레인 냉각수루프(41)와 유체적으로 연결된 제3통로(73)를 포함할 수 있다.
수냉식 열교환기(70)는 공조 서브시스템(11)의 난방작동 시에, 배터리 냉각서브시스템(12) 및 파워트레인 냉각서브시스템(13)으로부터 전달받은 열에 의해 내측 응축기(24)로부터 공급받은 냉매를 증발시키도록 구성될 수 있다. 즉, 공조 서브시스템(11)의 난방 작동 시에, 수냉식 열교환기(70)는 배터리 냉각서브시스템(12) 및 파워트레인 냉각서브시스템(13)의 파워트레인 컴포넌트(42)으로부터 발생된 폐열을 회수함으로써 냉매를 증발시키는 증발기의 역할을 할 수 있다.
수냉식 열교환기(70)는 공조 서브시스템(11)의 냉방작동 시에, 내측 응축기(24)로부터 공급받은 냉매를 응축하도록 구성될 수 있다. 수냉식 열교환기(70)는 배터리 냉각수루프(31)를 순환하는 배터리 냉각수 및 파워트레인 냉각수루프(41)를 순환하는 파워트레인 냉각수에 의해 냉매를 냉각하고 응축함으로써 냉매를 응축시키는 응축기의 역할을 할 수 있다.
공조 서브시스템(11)은 수냉식 열교환기(70)의 제1통로(71)의 하류지점과 어큐뮬레이터(23a)를 연결하는 바이패스도관(75)을 더 포함할 수 있다. 바이패스도관(75)의 입구는 수냉식 열교환기(70)의 하류지점에 연결될 수 있고, 바이패스도관(75)의 출구는 어큐뮬레이터(23a)에 연결될 수 있다. 구체적으로, 바이패스도관(75)의 입구는 수냉식 열교환기(70) 및 외측 열교환기(25) 사이의 지점에 연결될 수 있고, 바이패스도관(75)의 출구는 어큐뮬레이터(23a)에 연결될 수 있다. 쓰리웨이밸브(74)가 바이패스도관(75)의 입구 및 제1냉매루프(22) 사이의 연결지점에 배치될 수 있다. 쓰리웨이밸브(74)는 수냉식 열교환기(70)의 제1통로(71)에 유체적으로 연결된 제1포트(74a)와, 외측 열교환기(25)에 유체적으로 연결된 제2포트(74b)와, 바이패스도관(75)의 입구에 유체적으로 연결된 제3포트(74c)를 포함할 수 있다. 쓰리웨이밸브(74)는 제2포트(74b) 및 제3포트(74c) 중에서 어느 한 포트가 제1포트(74a)와 선택적으로 소통하도록 스위칭할 수 있다. 예컨대, 제3포트(74c)가 제1포트(74a)와 소통하도록 쓰리웨이밸브(74)가 스위칭할 경우(즉, 쓰리웨이밸브(74)가 바이패스도관(74)의 입구를 개방할 경우), 수냉식 열교환기(70)의 제1통로(71)를 통과한 냉매는 바이패스도관(75)을 통해 제1압축기(23)로 흘러들어갈 수 있다. 즉, 바이패스도관(75)의 입구가 쓰리웨이밸브(74)의 스위칭에 의해 개방될 때, 냉매는 외측 열교환기(25)를 우회할 수 있다. 제2포트(74b)가 제1포트(74a)와 소통하도록 쓰리웨이밸브(74)가 스위칭할 경우(즉, 쓰리웨이밸브(74)가 바이패스도관(74)의 입구를 폐쇄할 경우), 수냉식 열교환기(70)의 제1통로(71)를 통과한 냉매는 바이패스도관(75)을 통과하지 않고, 외측 열교환기(25)로 흘러들어갈 수 있다.
난방측 팽창밸브(54)는 제1냉매루프(22) 상에서 수냉식 열교환기(70)의 상류 측에 배치될 수 있다. 구체적으로, 난방측 팽창밸브(54)는 내측 응축기(24) 및 수냉식 열교환기(70) 사이에 배치될 수 있다. 난방측 팽창밸브(54)는 공조 서브시스템(11)의 난방 작동 시에, 수냉식 열교환기(70)의 제1통로(71)로 흘러들어가는 냉매의 흐름 내지 유량 등을 조절할 수 있고, 난방측 팽창밸브(54)는 공조 서브시스템(11)의 난방 작동 시에 내측 응축기(24)로부터 공급받은 냉매를 팽창시키도록 구성될 수 있다.
일 예에 따르면, 난방측 팽창밸브(54)는 구동모터(54a)를 가진 전자팽창밸브(EXV, electronic expansion valve)일 수 있다. 구동모터(54a)는 난방측 팽창밸브(54)의 밸브바디에서 한정된 오리피스를 개폐하도록 이동하는 샤프트를 가질 수 있고, 샤프트의 위치는 구동모터(54a)의 회전방향 및 회전정도 등에 따라 가변될 수 있으며, 이에 의해 난방측 팽창밸브(54)의 오리피스에 대한 개도가 가변될 수 있다. 제어기(100)는 구동모터(54a)의 작동을 제어할 수 있다. 그리고, 난방측 팽창밸브(54)는 완전 개방형 전자팽창밸브(full open type EXV)일 수 있다. 난방측 팽창밸브(54)는 제어기(100)에 의해 그 개도가 가변되도록 구성될 수 있고, 난방측 팽창밸브(54)의 개도가 가변됨에 따라 제1통로(71)로 흘러들어가는 제1냉매의 유량이 가변될 수 있다. 난방측 팽창밸브(54)는 공조 서브시스템(11)의 난방작동 시에 제어기(100)에 의해 제어될 수 있다.
외측 열교환기(25)는 공조덕트(28)의 외부에 배치될 수 있고, 외측 열교환기(25)는 내측 응축기(24)로부터 수용받은 냉매를 2차적으로 응축하도록 구성될 수 있다. 외측 열교환기(25)는 차량의 전방 그릴에 인접하게 배치될 수 있고, 외측 열교환기(25)는 외기에 노출되어 있으므로 외측 열교환기(25) 및 외기 사이에서 열이 전달될 수 있다. 그리고, 액티브에어플랩(미도시)이 차량의 전방 그릴에 개폐가능하게 설치될 수 있다. 특히, 외측 열교환기(25)는 냉각팬(46)에 의해 강제로 송풍되는 외기와 열교환함으로써 외측 열교환기(25) 및 외기 사이의 열전달율이 더 높아질 수 있다. 공조 서브시스템(11)의 냉방작동 시에 외측 열교환기(25)는 내측 응축기(24)로부터 공급받은 냉매를 응축하도록 구성될 수 있다. 즉, 외측 열교환기(25)는 공조 서브시스템(11)의 냉방작동 시에 열을 외기로 전달함으로써 냉매를 응축하는 외측 열교환기의 기능을 할 수 있다. 공조 서브시스템(11)의 난방작동 시에 외측 열교환기(25)는 수냉식 열교환기(70)의 제1통로(71)로부터 공급받은 냉매를 증발하도록 구성될 수 있다. 즉, 외측 열교환기(25)는 공조 서브시스템(11)의 난방작동 시에 열을 외기로부터 흡열함으로써 냉매를 증발하는 외측 증발기의 기능을 할 수 있다.
내측 응축기(24)를 통과하는 제1냉매는 공조덕트(28)를 통과하는 공기에 의해 냉각 및 응축되고, 제1냉매 및 공기 사이의 온도차이가 상대적으로 작으므로 내측 응축기(24)에 의한 제1냉매의 응축효율이 매우 미미한 수준이다. 한편, 수냉식 열교환기(70)의 제1통로(71)를 통과하는 제1냉매는 배터리 냉각수 및 파워트레인 냉각수에 의해 냉각 및 응축되고, 외측 열교환기(25)를 통과하는 제1냉매는 외기에 의해 냉각 및 응축된다. 도 3과 같이 제1냉매의 대부분은 수냉식 열교환기(70) 및 외측 열교환기(25)에 의해 응축될 수 있다.
냉방측 팽창밸브(26)는 제1냉매루프(22) 상에서 외측 열교환기(25) 및 증발기(27) 사이에 배치될 수 있다. 냉방측 팽창밸브(26)는 증발기(27)의 상류측에 배치됨으로써 증발기(27)로 유입되는 냉매의 흐름 내지 냉매의 유량(flow rate or flow of the refrigerant flowing into)을 조절하고, 외측 열교환기(25)로부터 공급받은 냉매를 팽창시키도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 냉방측 팽창밸브(26)는 냉매의 온도 및/또는 압력을 센싱하여 냉방측 팽창밸브(26)의 개도를 조절하는 냉방측 팽창밸브(TXV, Thermal Expansion Valve)일 수 있다. 구체적으로 실시예에 따르면, 냉방측 팽창밸브(26)는 냉매가 냉방측 팽창밸브(26)의 내부유로 흘러들어감을 선택적으로 차단할 수 있는 개폐밸브(26a)를 가진 냉방측 팽창밸브일 수 있고, 개폐밸브(26a)는 솔레노이드 밸브일 수 있다. 개폐밸브(26a)는 제어기(100)에 의해 개폐될 수 있고, 이에 냉매가 냉방측 팽창밸브(26)로 흘러들어감을 차단(block) 내지 해제(unblock)할 수 있다. 개폐밸브(26a)가 개방될 때 냉매가 냉방측 팽창밸브(26)로 흘러들어감이 허용될 수 있고, 개폐밸브(26a)가 폐쇄될 때 냉매가 냉방측 팽창밸브(26)로 흘러들어감이 차단될 수 있다. 일 예에 따르면, 개폐밸브(26a)는 냉방측 팽창밸브(26)의 밸브바디의 내부에 일체로 장착됨으로써 냉방측 팽창밸브(26)의 내부유로를 개폐하도록 구성될 수 있다. 다른 예에 따르면, 개폐밸브(26a)는 냉방측 팽창밸브(26)의 상류측에 배치됨으로써 냉방측 팽창밸브(26)의 입구를 선택적으로 개폐하도록 구성될 수 있다.
증발기(27)는 냉방측 팽창밸브(26)의 하류 측에 배치될 수 있고, 냉방측 팽창밸브(26)에 의해 팽창된 제1냉매를 수용할 수 있다. 증발기(27)는 냉방측 팽창밸브(26)로부터 수용받은 냉매에 의해 공기를 냉각하도록 구성될 수 있다.
공조덕트(28)는 차량의 승객실을 향해 공기를 송풍하도록 구성될 수 있고, 내측 응축기(24) 및 증발기(27)는 공조덕트(28) 내에 배치될 수 있다. 에어믹싱도어(29a)가 증발기(27) 및 내측 응축기(24) 사이에 배치될 수 있고, 내측 응축기(24)는 증발기(27)의 하류 측에 배치될 수 있으며, PTC히터(29b, Positive Temperature Coefficient heater)가 내측 응축기(24)의 하류 측에 배치될 수 있다.
개폐밸브(26a)가 폐쇄될 경우 냉방측 팽창밸브(26)로 제1냉매의 흐름이 차단될 수 있고, 이에 제1냉매는 냉방측 팽창밸브(26) 및 증발기(27) 측으로 유입되지 않고 후술하는 냉매칠러(52)만으로 흘러갈 수 있다. 즉, 개폐밸브(26a)가 폐쇄될 경우에는 공조 서브시스템(11)의 냉방이 실행되지 않는다. 개폐밸브(26a)가 개방될 경우 제1냉매는 냉방측 팽창밸브(26) 및 증발기(27) 측으로 흘러들어갈 수 있다. 즉, 개폐밸브(26a)가 개방될 경우에는 공조 서브시스템(11)의 냉방이 실행될 수 있다.
공조 서브시스템(11)이 냉방모드로 작동할 때, 냉방측 팽창밸브(26)의 개폐밸브(26a)가 개방되고, 냉매는 제1압축기(23), 내측 응축기(24), 수냉식 열교환기(70)의 제1통로(71), 외측 열교환기(25), 냉방측 팽창밸브(26), 증발기(27) 순으로 순환할 수 있다.
공조 서브시스템(11)이 난방모드로 작동할 때, 냉방측 팽창밸브(26)의 개폐밸브(26a)가 폐쇄되고, 바이패스도관(75)의 입구가 쓰리웨이밸브(74)의 스위칭에 의해 개방됨으로써 냉매는 제1압축기(23), 내측 응축기(24), 난방측 팽창밸브(54), 수냉식 열교환기(70)의 제1통로(71), 바이패스도관(75) 순으로 순환할 수 있다.
배터리 냉각서브시스템(12)은 배터리 냉각수가 순환하는 배터리 냉각수루프(31)를 포함할 수 있다. 배터리 냉각수루프(31)는 배터리팩(32), 배터리칠러(33), 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72), 배터리 라디에이터(36), 제1배터리펌프(34), 제2배터리펌프(35)에 유체적으로 연결될 수 있다. 도 1에서, 배터리 냉각수는 배터리 냉각수루프(31)를 통해 배터리팩(32), 배터리칠러(33), 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72), 배터리 라디에이터(36) 순으로 흐를 수 있다.
배터리팩(32)은 그 내부 또는 외부에 제공된 냉각수통로를 가질 수 있고, 배터리 냉각수는 냉각수통로를 통과할 수 있다. 배터리 냉각수루프(31)는 배터리팩(32)의 냉각수통로에 유체적으로 연결될 수 있다.
배터리칠러(33)는 배터리 냉각수루프(31) 상에서 배터리팩(32)의 하류지점에 위치할 수 있고, 배터리칠러(33)는 후술하는 제2냉동사이클(14)을 순환하는 제2냉매에 의해 배터리팩(32)의 냉각수통로로부터 공급받은 냉각수를 냉각하도록 구성될 수 있다. 특히, 배터리칠러(33)는 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72)의 상류에 위치할 수 있다.
히터(32a)가 배터리 냉각수루프(31) 상에서 배터리팩(32) 및 배터리칠러(33) 사이에 위치할 수 있고, 히터(32a)는 PTC히터 등과 같은 전기히터일 수 있다. 배터리팩(32)의 승온이 필요할 경우 히터(32a)가 작동할 수 있고, 이에 배터리 냉각수의 온도가 히터(32a)에 의해 상대적으로 상승함으로써 배터리팩(32)이 승온될 수 있다.
배터리 라디에이터(36)는 차량의 전방 그릴에 인접하게 배치될 수 있고, 배터리 라디에이터(36)를 통과하는 배터리 냉각수는 외기에 의해 냉각될 수 있다. 특히, 배터리 라디에이터(36)는 냉각팬(46)에 의해 강제로 송풍되는 외기와 열교환함으로써 배터리 라디에이터(36) 및 외기 사이의 열전달율이 더 높아질 수 있다.
배터리 라디에이터(36), 파워트레인 라디에이터(44), 및 외측 열교환기(25)는 차량의 전방 측에 서로 인접하게 배치됨으로써 차량의 전방에 쿨링모듈을 구성할 수 있고, 냉각팬(46)이 외측 열교환기(25), 배터리 라디에이터(36), 및 파워트레인 라디에이터(44)의 후방 측에 배치될 수 있다.
제1배터리펌프(34) 및 제2배터리펌프(35)는 배터리 냉각수루프(31) 상에서 배터리 라디에이터(36) 및 배터리팩(32) 사이에 배치될 수 있고, 제1배터리펌프(34) 및 제2배터리펌프(35)는 배터리 냉각수를 순환시키도록 구성된 전동펌프일 수 있다. 제1배터리펌프(34)는 배터리팩(32)에 인접하고, 제2배터리펌프(35)는 배터리 라디에이터(36)에 인접할 수 있다.
배터리 냉각서브시스템(12)은 배터리 라디에이터(36)의 하류지점에 위치한 배터리 리저버(76a)를 포함할 수 있다. 배터리 리저버(76a)는 배터리 라디에이터(36) 및 제2배터리펌프(35) 사이에 위치할 수 있다. 배터리 리저버(76a)가 배터리 냉각수를 일시적으로 저장 및 보충하도록 구성됨으로써 배터리 냉각수루프(31) 상에서 순환하는 배터리 냉각수의 유량을 일정하게 유지할 수 있다.
배터리 냉각서브시스템(12)은 배터리 냉각수가 배터리 라디에이터(36)를 우회함을 허용하도록 구성된 제1배터리 바이패스도관(37)을 더 포함할 수 있다. 제1배터리 바이패스도관(37)은 배터리 냉각수루프(31) 상에서 배터리 라디에이터(36)의 상류지점과 배터리 라디에이터(36)의 하류지점을 직접적으로 연결하도록 구성될 수 있다.
제1배터리 바이패스도관(37)의 입구는 배터리 냉각수루프(31) 상에서 배터리칠러(33) 및 배터리 라디에이터(36)의 입구 사이의 지점에 연결될 수 있다. 제1배터리 바이패스도관(37)의 출구는 배터리 냉각수루프(31) 상에서 배터리팩(32) 및 배터리 라디에이터(36)의 출구 사이의 지점에 연결될 수 있다. 구체적으로, 제1배터리 바이패스도관(37)의 출구는 배터리 냉각수루프(31) 상에서 제2배터리펌프(35)의 출구 및 제1배터리펌프(34)의 입구 사이의 지점에 연결될 수 있다.
냉각수가 배터리칠러(33)의 하류 측으로부터 제1배터리 바이패스도관(37)을 통해 제1배터리펌프(34)의 상류 측으로 흘러감으로써 배터리 냉각수는 제2배터리펌프(35), 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72), 및 배터리 라디에이터(36)를 우회할 수 있고, 이에 제1배터리 바이패스도관(37)을 통과하는 배터리 냉각수는 제1배터리펌프(34)에 의해 배터리팩(32) 및 배터리칠러(33) 순으로 흐를 수 있다.
배터리 냉각서브시스템(12)은 배터리 냉각수가 배터리팩(32) 및 배터리칠러(33)를 우회함을 허용하도록 구성된 제2배터리 바이패스도관(38)을 더 포함할 수 있다. 제2배터리 바이패스도관(38)은 배터리 냉각수루프(31) 상에서 배터리칠러(33)의 하류지점과 배터리팩(32)의 상류지점을 직접적으로 연결하도록 구성될 수 있다.
제2배터리 바이패스도관(38)의 입구는 배터리 냉각수루프(31) 상에서 제1배터리 바이패스도관(38)의 출구 및 배터리 라디에이터(36)의 출구 사이의 지점에 연결될 수 있다. 구체적으로, 제2배터리 바이패스도관(38)의 입구는 배터리 냉각수루프(31) 상에서 제1배터리 바이패스도관(37)의 출구 및 제2배터리펌프(35)의 출구 사이의 지점에 연결될 수 있다.
제2배터리 바이패스도관(38)의 출구는 배터리 냉각수루프(31) 상에서 제1배터리 바이패스도관(37)의 입구 및 배터리 라디에이터(36)의 입구 사이의 지점에 연결될 수 있다.
배터리 냉각수가 배터리 라디에이터(36)의 하류 측으로부터 제2배터리 바이패스도관(38)을 통해 배터리 라디에이터(36)의 상류 측으로 흘러감으로써 배터리 냉각수는 배터리팩(32), 및 배터리칠러(33)를 우회할 수 있고, 이에 제2배터리 바이패스도관(38)을 통과하는 배터리 냉각수는 제2배터리펌프(35)에 의해 배터리 라디에이터(36), 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72) 순으로 순차적으로 흐를 수 있다.
제1배터리 바이패스도관(37) 및 제2배터리 바이패스도관(38)은 서로 간에 평행할 수 있다.
배터리 냉각서브시스템(12)은 배터리 냉각수의 흐름방향을 조절하도록 구성된 쓰리웨이밸브(39)를 포함할 수 있고, 쓰리웨이밸브(39)는 제1배터리 바이패스도관(37)의 입구에 배치될 수 있다. 즉, 쓰리웨이밸브(39)는 제1배터리 바이패스도관(37)의 입구 및 배터리 냉각수루프(31) 사이의 합류지점에 배치될 수 있다. 쓰리웨이밸브(39)는 제1배터리펌프(34)에 유체적으로 연결된 제1포트(39a)와, 제2배터리펌프(35)에 유체적으로 연결된 제2포트(39b)와, 제1배터리 바이패스도관(37)에 유체적으로 연결된 제3포트(39c)를 포함할 수 있다. 쓰리웨이밸브(39)는 제1포트(39a), 제2포트(39b), 및 제3포트(39c) 중에서 적어도 2개의 포트를 선택적으로 소통시키거나 제1포트(39a), 제2포트(39b), 및 제3포트(39c)를 모두 폐쇄하도록 스위칭할 수 있다.
제2포트(39b)가 제1포트(39a)와 소통하도록 쓰리웨이밸브(39)가 스위칭할 경우(즉, 쓰리웨이밸브(39)가 제1배터리 바이패스도관(37)의 입구를 폐쇄할 경우) 배터리 냉각수는 제1배터리 바이패스도관(37) 및 제2배터리 바이패스도관(38)을 통과하지 않고, 배터리팩(32), 배터리칠러(33), 배터리 라디에이터(36), 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72) 순으로 흐를 수 있다.
제3포트(39c)가 제1포트(39a)와 소통하도록 쓰리웨이밸브(39)가 스위칭할 경우(즉, 쓰리웨이밸브(39)가 제1배터리 바이패스도관(37)의 입구를 개방하도록 스위칭할 경우), 일부의 배터리 냉각수는 제1배터리 바이패스도관(37)을 통해 흐름으로써 제2배터리펌프(35), 배터리 라디에이터(36) 및 배터리 라디에이터(36)를 우회하고 제1배터리펌프(34)에 의해 배터리팩(32) 및 배터리칠러(33) 순으로 통과할 수 있다. 나머지의 배터리 냉각수는 제2배터리 바이패스도관(38)을 통해 흐름으로써 제1배터리펌프(34), 배터리팩(32), 및 배터리칠러(33)를 우회하고 제2배터리펌프(35)에 의해 배터리 라디에이터(36) 및 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72) 순으로 통과할 수 있다.
제1포트(39a), 제2포트(39b), 제3포트(39c)가 모두 폐쇄되도록 쓰리웨이밸브(39)가 스위칭할 경우 배터리 냉각수는 제1배터리 바이패스도관(37), 배터리팩(32), 배터리칠러(33)를 통과하지 않을 수 있다.
이와 같이, 쓰리웨이밸브(39)는 배터리 냉각수루프(31) 상에서 배터리 냉각수의 흐름을 조절하도록 구성될 수 있고, 제1배터리펌프(34) 및 제2배터리펌프(35)는 쓰리웨이밸브(39)의 스위칭작동에 따라 선택적으로 작동할 수 있다.
파워트레인 냉각서브시스템(13)은 파워트레인 냉각수가 순환하는 파워트레인 냉각수루프(41)를 포함할 수 있다. 파워트레인 냉각수루프(41)는 파워트레인 컴포넌트(42), 파워트레인 라디에이터(44), 파워트레인펌프(45)에 유체적으로 연결될 수 있다. 도 1에서, 파워트레인 냉각수는 파워트레인 냉각수루프(41)를 통해 파워트레인 컴포넌트(42), 수냉식 열교환기(70)의 제3통로(73), 파워트레인펌프(45), 파워트레인 라디에이터(44) 순으로 흐를 수 있다.
파워트레인 컴포넌트(42)는 전기자동차의 전기적 파워트레인시스템을 구성하는 전기모터, 인버터, OBC(On Board Charger), LDC(Low DC-DC Converter) 중에서 적어도 하나의 컴포넌트일 수 있다. 파워트레인 컴포넌트(42)는 그 내부 또는 외부에 제공된 냉각수통로를 가질 수 있고, 파워트레인 냉각수가 냉각수통로를 통과할 수 있다. 파워트레인 냉각수루프(41)는 파워트레인 컴포넌트(42)의 냉각수통로에 유체적으로 연결될 수 있다. 특히, 파워트레인 컴포넌트(42)는 파워트레인 냉각수루프(41) 상에서 수냉식 열교환기(70)의 제3통로(73)의 상류에 위치할 수 있고, 수냉식 열교환기(70)의 제3통로(83)는 파워트레인 냉각수루프(41) 상에서 파워트레인 라디에이터(44)의 입구 및 파워트레임 컴포넌트(42) 사이에 위치할 수 있다.
파워트레인 라디에이터(44)는 차량의 전방그릴에 인접하게 배치될 수 있고, 파워트레인 라디에이터(44)를 통과하는 파워트레인 냉각수는 외기에 의해 냉각될 수 있다. 특히, 파워트레인 라디에이터(44)는 냉각팬(46)에 의해 강제로 송풍되는 외기와 열교환함으로써 파워트레인 라디에이터(44) 및 외기 사이의 열전달율이 더 높아질 수 있다.
파워트레인펌프(45)는 파워트레인 컴포넌트(42)의 상류 측에 배치될 수 있고, 파워트레인펌프(45)는 파워트레인 냉각수루프(41) 상에서 파워트레인 냉각수를 순환시키는 전동펌프일 수 있다. 파워트레인펌프(45)의 작동은 제어기(100)에 의해 제어될 수 있다.
파워트레인 냉각서브시스템(13)은 파워트레인 라디에이터(44)의 하류지점에 위치한 파워트레인 리저버(76b)를 포함할 수 있다. 파워트레인 리저버(76b)는 파워트레인 라디에이터(44) 및 파워트레인펌프(45) 사이에 위치할 수 있다. 파워트레인 리저버(76b)가 파워트레인 냉각수를 일시적으로 저장 및 보충하도록 구성됨으로써 파워트레인 냉각수루프(41) 상에서 순환하는 배터리 냉각수의 유량을 일정하게 유지할 수 있다.
파워트레인 냉각서브시스템(13)은 파워트레인 냉각수가 파워트레인 라디에이터(44)를 우회함을 허용하도록 구성된 파워트레인 바이패스도관(47)을 더 포함할 수 있다. 파워트레인 바이패스도관(47)은 파워트레인 냉각수루프(41) 상에서 파워트레인 라디에이터(44)의 상류지점과 파워트레인 라디에이터(44)의 하류지점을 직접적으로 연결하도록 구성될 수 있다.
파워트레인 바이패스도관(47)의 입구는 파워트레인 냉각수루프(41) 상에서 파워트레인 컴포넌트(42) 및 파워트레인 라디에이터(44)의 입구 사이의 지점에 연결될 수 있다. 파워트레인 바이패스도관(47)의 출구는 파워트레인 냉각수루프(41) 상에서 파워트레인 컴포넌트(42) 및 파워트레인 라디에이터(44)의 출구 사이의 지점에 연결될 수 있다. 구체적으로, 파워트레인 바이패스도관(47)의 출구는 파워트레인 냉각수루프(41) 상에서 파워트레인 라디에이터(44)의 출구 및 파워트레인펌프(45)의 입구 사이의 지점에 연결될 수 있다.
파워트레인 냉각수가 파워트레인 컴포넌트(42)의 하류 측으로부터 파워트레인 바이패스도관(47)을 통해 파워트레인펌프(45)의 상류 측으로 흘러감으로써 냉각수는 파워트레인 라디에이터(44)를 우회할 수 있고, 이에 파워트레인 바이패스도관(47)을 통과하는 파워트레인 냉각수는 파워트레인펌프(45)에 의해 파워트레인 컴포넌트(42) 및 수냉식 열교환기(70)의 제3통로(73) 순으로 흐를 수 있다.
파워트레인 냉각서브시스템(13)은 파워트레인 바이패스도관(47)의 입구에 배치된 쓰리웨이밸브(48)를 더 포함할 수 있다. 즉, 쓰리웨이밸브(48)는 파워트레인 바이패스도관(47)의 입구 및 파워트레인 냉각수루프(41) 사이의 합류지점에 배치될 수 있다. 쓰리웨이밸브(48)는 파워트레인펌프(45)에 유체적으로 연결된 제1포트(48a)와, 파워트레인 라디에이터(44)에 유체적으로 연결된 제2포트(48b)와, 파워트레인 바이패스도관(47)에 유체적으로 연결된 제3포트(48c)를 포함할 수 있다. 쓰리웨이밸브(48)는 제1포트(48a), 제2포트(48b), 및 제3포트(48c) 중에서 적어도 2개의 포트를 선택적으로 소통하거나 제1포트(48a), 제2포트(48b), 및 제3포트(48c)를 모두 폐쇄하도록 스위칭할 수 있다. 예컨대, 제2포트(48b)가 제1포트(48a)와 소통하도록 쓰리웨이밸브(48)가 스위칭할 경우(즉, 쓰리웨이밸브(48)가 파워트레인 바이패스도관(47)의 입구를 폐쇄할 경우), 파워트레인 냉각수는 파워트레인 바이패스도관(47)을 통과하지 않고, 파워트레인 컴포넌트(42), 수냉식 열교환기(70)의 제3통로(73), 파워트레인 라디에이터(44) 순으로 흐를 수 있다. 제3포트(48c)가 제1포트(46a)와 소통하도록 쓰리웨이밸브(48)가 스위칭할 경우(즉, 쓰리웨이밸브(39)가 파워트레인 바이패스도관(47)의 입구를 개방하도록 스위칭할 경우), 파워트레인 냉각수는 파워트레인 바이패스도관(47)을 통해 흐름으로써 파워트레인펌프(45), 파워트레인 컴포넌트(42), 및 수냉식 열교환기(70)의 제3통로(73) 순으로 흐를 수 있다. 제1포트(48a), 제2포트(48b), 제3포트(48c)가 모두 폐쇄되도록 쓰리웨이밸브(48)가 스위칭할 경우 파워트레인 냉각수는 파워트레인 냉각수루프(41)를 순환하지 않는다. 이와 같이, 쓰리웨이밸브(48)는 파워트레인 냉각수루프(41) 상에서 파워트레인 냉각수의 흐름을 조절하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 배터리 리저버(76a)는 파워트레인 리저버(76b)에 대해 일체로 결합됨으로써 통합형 리저버(76)로 구성될 수 있고, 배터리 리저버(76a) 및 파워트레인 리저버(76b)는 칸막이 등에 의해 유체적으로 서로 분리될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 배터리 리저버(76a) 및 파워트레인 리저버(76b)는 통합형 리저버(76) 내에서 유체적으로 연결될 수 있고, 이에 배터리 냉각수 및 파워트레인 냉각수가 통합형 리저버(76) 내에서 혼합될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 차량용 열관리시스템(10)은 공조 서브시스템(11) 에 열적으로 연결된 제2냉동사이클(14)을 더 포함할 수 있다. 제2냉동사이클(14)은 제2냉매가 순환하는 제2냉매루프(61)를 포함할 수 있다. 제2냉매루프(61)는 제2압축기(62), 응축기(63), 냉매칠러(52), 및 배터리칠러(33)에 유체적으로 연결될 수 있다. 제2냉매는 제2냉매루프(61)를 통해 제2압축기(62), 응축기(63), 냉매칠러(52), 및 배터리칠러(33)를 순차적으로 통과할 수 있다.
제2압축기(62)는 제2냉매를 압축하도록 구성될 수 있다. 일 예에 따르면, 제2압축기(62)는 전기에너지에 의해 구동하는 전동식 압축기일 수 있다.
응축기(63)는 제2냉매루프(61) 상에서 제2압축기(62)의 하류 측에 위치할 수 있고, 제2압축기(62)로부터 수용된 제2냉매를 응축하도록 구성될 수 있다.
도 1의 실시예에 따르면, 응축기(63)는 배터리 냉각서브시스템(12)과 열적으로 연결될 수 있다. 이에, 제2냉매는 응축기(63)를 통해 배터리 냉각서브시스템(12)을 순환하는 배터리 냉각수와 열교환함으로써 냉각되고 응축될 수 있다. 특히, 응축기(63)는 배터리 라디에이터(36)를 통해 외기에 의해 냉각된 배터리 냉각수 및 제2압축기(62)로부터 수용된 제2냉매 사이에서 열을 전달하도록 구성될 수 있고, 이에 제2냉매는 응축기(63)에서 배터리 냉각수에 의해 냉각되고 응축될 수 있고, 배터리 냉각수는 응축기(63)에서 제2냉매에 의해 승온될 수 있다. 응축기(63)는 배터리 냉각서브시스템(12)의 배터리 냉각수루프(31)에 유체적으로 연결된 제1통로(63a)와, 제2냉동사이클(14)의 제2냉매루프(61)에 유체적으로 연결된 제2통로(63b)를 포함할 수 있다.
도 1을 참조하면, 응축기(63)의 제1통로(63a)는 배터리 냉각수루프(31) 상에서 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72)의 상류에 위치할 수 있다. 구체적으로, 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72)는 배터리 라디에이터(36)의 입구 및 제2배터리 바이패스도관(38)의 출구 사이에 위치할 수 있고, 이에 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72)는 제2배터리 바이패스도관(38)의 하류지점에 위치할 수 있다. 응축기(63)가 배터리 냉각수루프(31)의 제2배터리 바이패스도관(38)에 배치됨으로써 응축기(63)의 제1통로(63a)는 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72)의 상류에 위치할 수 있다. 제2냉매는 응축기(63)에서 제2배터리 바이패스도관(38)을 통과하는 배터리 냉각수에 의해 냉각되고 응축될 수 있다. 제1통로(63a)는 제2배터리 바이패스도관(38)에 유체적으로 연결될 수 있고, 제2통로(63b)는 제2냉동사이클(14)의 제2냉매루프(61)에 유체적으로 연결될 수 있다. 제3포트(39c)가 제1포트(39a)와 소통하도록 쓰리웨이밸브(39)가 스위칭할 경우(즉, 쓰리웨이밸브(39)가 제1배터리 바이패스도관(37)의 입구를 개방하도록 스위칭할 경우), 일부의 배터리 냉각수는 제1배터리 바이패스도관(37)을 통해 흐름으로써 제2배터리펌프(35) 및 배터리 라디에이터(36)를 우회하고 제1배터리펌프(34)에 의해 배터리팩(32) 및 배터리칠러(33) 순으로 통과할 수 있다. 나머지의 배터리 냉각수는 제2배터리 바이패스도관(38)을 통해 흐름으로써 제1배터리펌프(34), 배터리팩(32), 및 배터리칠러(33)를 우회하고 제2배터리펌프(35)에 의해 배터리 라디에이터(36) 및 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72) 순으로 통과할 수 있다. 제2배터리 바이패스도관(38)을 통과하는 배터리 냉각수가 배터리 라디에이터(36)를 통해 외기와 열교환함으로써 배터리 냉각수는 적절히 냉각될 수 있고, 냉각된 배터리 냉각수는 응축기(63)에서 제2냉매를 냉각할 수 있으며, 이에 제2냉매는 응축기(63)에서 응축될 수 있다.
공조 서브시스템(11)의 제1냉동사이클(21)은 제1냉매루프(22)로부터 분기된 분기도관(51)을 더 포함할 수 있다. 분기도관(51)은 개폐밸브(26a)의 상류지점으로부터 분기되고 제1압축기(23)의 상류지점에 합류될 수 있다. 즉, 분기도관(51)은 개폐밸브(26a)의 상류지점과 제1압축기(23)의 상류지점을 직접적으로 연결할 수 있고, 이에 분기도관(51)을 통과하는 냉각수는 냉방측 팽창밸브(26) 및 증발기(27)로 흘러들어가지 않는다. 냉매칠러(52) 및 제1칠러측 팽창밸브(53)가 분기도관(51)에 설치될 수 있고, 제1칠러측 팽창밸브(53)는 냉매칠러(52)의 상류에 위치할 수 있다. 이에 제1냉매의 일부는 냉방측 팽창밸브(26)를 통해 증발기(27)로 흘러들어갈 수 있고, 제1냉매의 나머지는 제1칠러측 팽창밸브(53)를 거쳐 냉매칠러(52)로 흘러들어갈 수 있다.
제1냉동사이클(21)은 냉매칠러(52)를 통해 제2냉동사이클(14)과 열적으로 연결될 수 있다. 냉매칠러(52)는 제1냉동사이클(21)을 순환하는 제1냉매 및 제2냉동사이클(14)을 순환하는 제2냉매 사이에서 열을 전달하도록 구성될 수 있다. 냉매칠러(52) 및 증발기(27)는 외측 열교환기(25) 및 제1압축기(23) 사이에서 병렬로 연결될 수 있고, 이에 제1냉매는 냉방측 팽창밸브(26)의 개폐밸브(26a) 및 제1칠러측 팽창밸브(53)의 구동모터(53a)를 통해 냉매칠러(52) 및 증발기(27)로 선택적으로 분배될 수 있다. 구체적으로, 냉매칠러(52)는 제1냉동사이클(21)의 분기도관(51) 및 제2냉동사이클(14)의 제2냉매루프(61) 사이에서 열을 전달하도록 구성될 수 있다. 특히, 냉매칠러(52)는 분기도관(51)을 순환하는 제1냉매 및 제2냉동사이클(14)의 제2냉매루프(61)를 순환하는 제2냉매 사이에서 열을 전달할 수 있다. 냉매칠러(52)는 분기도관(51)에 유체적으로 연결된 제1통로(52a)와, 제2냉매루프(61)에 유체적으로 연결된 제2통로(52b)를 포함할 수 있다. 제1통로(52a)가 분기도관(51) 상에서 제1칠러측 팽창밸브(53)의 출구 및 제1압축기(23)의 입구 사이에 위치할 수 있다. 제2통로(52b)가 제2냉매루프(61) 상에서 배터리칠러(33)의 상류에 위치할 수 있다. 제1통로(52a) 및 제2통로(52b)가 냉매칠러(52) 내에서 서로 인접하거나 접촉하도록 배치됨으로써 제1통로(52a)는 제2통로(52b)에 대해 열적으로 연결될 수 있으며, 제1통로(52a)는 제2통로(52b)에 대해 유체적으로 분리될 수 있다. 이에, 냉매칠러(52)는 제1통로(52a)를 통과하는 제1냉매 및 제2통로(52b)를 통과하는 제2냉매 사이에서 열을 전달할 수 있다. 제2통로(52b)를 통과하는 제2냉매의 온도가 제1통로(52a)를 통과하는 제1냉매의 온도 보다 상대적으로 높으므로 열이 제2통로(52b)를 통과하는 제2냉매로부터 제1통로(52a)를 통과하는 제1냉매로 전달되고, 이에 냉매칠러(52)의 제2통로(52b)를 통과하는 제2냉매는 냉각되고 응축되며, 냉매칠러(52)의 제1통로(52a)를 통과하는 제1냉매는 증발(기화)된다. 냉매칠러(52)의 제1통로(52a)는 제1냉동사이클(21)에서 증발기의 기능을 하고, 냉매칠러(52)의 제2통로(52b)는 제2냉동사이클(14)에서 응축기의 기능을 한다. 이를 통해, 냉매칠러(52)는 제1냉매를 증발시키는 증발기 및 제2냉매를 응축시키는 응축기를 통합한 구조로 구성될 수 있다.
제2압축기(62)에 의해 압축된 제2냉매는 응축기(63)에 의해 1차적으로 응축되고 냉매칠러(52)에 의해 2차적으로 응축됨으로써 제2냉매의 냉각효율 및 응축효율이 향상될 수 있다. 제1칠러측 팽창밸브(53)는 분기도관(51) 상에서 냉매칠러(52)의 제1통로(52a)의 상류 측에 배치될 수 있다. 제1칠러측 팽창밸브(53)는 냉매칠러(52)의 제1통로(52a)로 유입되는 제1냉매의 흐름 내지 유량 등을 조절할 수 있고, 제1칠러측 팽창밸브(53)는 외측 열교환기(25)로부터 수용한 냉매를 팽창시키도록 구성될 수 있다. 일 예에 따르면, 제1칠러측 팽창밸브(53)는 구동모터(53a)를 가질 수 있고, 구동모터(53a)는 제1칠러측 팽창밸브(53)의 밸브바디 내에서 한정된 내부유로를 개폐하도록 이동하는 샤프트를 가질 수 있고, 샤프트의 위치는 구동모터(53a)의 회전방향 및 회전정도 등에 따라 가변될 수 있으며, 이에 의해 제1칠러측 팽창밸브(53)의 내부유로에 대한 개도가 가변될 수 있다. 제어기(100)는 구동모터(53a)의 작동을 제어할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제어기(100)는 FATC(Full Automatic Temperature Control System)일 수 있다.
제1칠러측 팽창밸브(53)의 개도가 가변됨에 따라 냉매칠러(52)의 제1통로(52a)로 유입되는 냉매의 유량이 가변될 수 있다. 예컨대, 제1칠러측 팽창밸브(53)의 개도가 기준개도 보다 커질 경우 냉매칠러(52)의 제1통로(52a)로 유입되는 냉매의 유량이 기준유량 보다 상대적으로 증가할 수 있고, 제1칠러측 팽창밸브(53)의 개도가 기준개도 보다 작을 경우 냉매칠러(52)의 제1통로(52a)로 유입되는 냉매의 유량이 기준유량과 유사해지거나 기준유량 보다 상대적으로 감소할 수 있다. 제1칠러측 팽창밸브(53)의 개도가 제어기(100)에 의해 조절됨에 따라, 냉매는 증발기(27) 및 냉매칠러(52) 측으로 일정 비율로 분배될 수 있고, 이를 통해 공조 서브시스템(11)의 냉방 및 배터리칠러(33)의 냉각이 동시에 또는 선택적으로 실행될 수 있다.
배터리칠러(33)는 제2냉동사이클(14)을 순환하는 제2냉매 및 배터리 냉각서브시스템(12)을 순환하는 배터리 냉각수 사이에서 열을 전달하도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 배터리칠러(33)는 제2냉동사이클(14)의 제2냉매루프(61) 및 배터리 냉각서브시스템(12)의 배터리 냉각수루프(31) 사이에서 열을 전달하도록 구성될 수 있다. 배터리칠러(33)는 제2냉동사이클(14)의 제2냉매루프(61)를 순환하는 제2냉매 및 배터리 냉각수루프(31)를 통과하는 배터리 냉각수 사이에 열을 전달할 수 있고, 이에 배터리칠러(33)는 냉매칠러(52)에 의해 냉각 및 응축된 제2냉매를 증발시킬 수 있고, 이를 통해 배터리 냉각수를 냉각할 수 있다. 배터리칠러(33)는 배터리 냉각수루프(31)에 유체적으로 연결된 제1통로(33a)와, 제2냉동사이클(14)의 제2냉매루프(61)에 유체적으로 연결된 제2통로(33b)를 포함할 수 있다. 제1통로(33a)는 배터리 냉각수루프(31) 상에서 배터리팩(32)의 하류지점에 위치할 수 있고, 제2통로(33b)는 제2냉매루프(61) 상에서 냉매칠러(52)의 하류지점에 위치할 수 있다. 제1통로(33a) 및 제2통로(33b)가 배터리칠러(33) 내에서 서로 인접하거나 접촉하도록 배치됨으로써 제1통로(33a)는 제2통로(33b)에 대해 열적으로 연결될 수 있으며, 제1통로(33a)는 제2통로(33b)에 대해 유체적으로 분리될 수 있다. 이에, 배터리칠러(33)는 제1통로(33a)를 통과하는 배터리 냉각수 및 제2통로(33b)를 통과하는 제2냉매 사이에서 열을 전달할 수 있다.
배터리칠러(33)의 제2통로(33b)는 제2냉매루프(61) 상에서 냉매칠러(52)의 제2통로(52b)의 하류 측에 위치할 수 있고, 이에 배터리칠러(33)의 제2통로(33b)는 냉매칠러(52)의 제2통로(52b)로부터 제2냉매를 수용받을 수 있다. 제2통로(33b)를 통과하는 제2냉매의 온도가 제1통로(33a)를 통과하는 배터리 냉각수의 온도 보다 낮으므로 배터리 냉각수는 배터리칠러(33)에 의해 냉각될 수 있다. 배터리칠러(33)에 의해 냉각된 배터리 냉각수는 제1배터리펌프(34)에 의해 배터리팩(32)의 냉각수통로를 흘러들어감으로써 배터리팩(32)이 최적으로 냉각될 수 있다.
제2칠러측 팽창밸브(65)는 제2냉매루프(61) 상에서 배터리칠러(33)의 제2통로(33b)의 상류 측에 위치할 수 있다. 구체적으로, 제2칠러측 팽창밸브(65)는 제2냉매루프(61) 상에서 냉매칠러(52)의 제2통로(52b) 및 배터리칠러(33)의 제2통로(33b) 사이에 위치할 수 있다. 제2칠러측 팽창밸브(65)는 배터리칠러(33)의 제2통로(33b)로 유입되는 냉매의 흐름 내지 유량 등을 조절할 수 있고, 제2칠러측 팽창밸브(65)는 냉매칠러(52)로부터 수용받은 냉매를 팽창시키도록 구성될 수 있다.
일 예에 따르면, 제2칠러측 팽창밸브(65)는 구동모터(65a)를 가질 수 있고, 구동모터(65a)는 제2칠러측 팽창밸브(65)의 밸브바디 내에서 한정된 내부유로를 개폐하도록 이동하는 샤프트를 가질 수 있고, 샤프트의 위치는 구동모터(65a)의 회전방향 및 회전정도 등에 따라 가변될 수 있으며, 이에 의해 제2칠러측 팽창밸브(65)의 내부유로에 대한 개도가 가변될 수 있다. 제어기(100)는 구동모터(65a)의 작동을 제어할 수 있다.
다른 예에 따르면, 제2칠러측 팽창밸브(65)는 감온팽창밸브일 수 있고, 배터리팩(32)의 냉각작동만이 실행될 때 제2칠러측 팽창밸브(65)는 배터리칠러(33)의 제2통로(33b)로 유입되는 제2냉매의 유량을 조절하고 배터리칠러(33)의 제2통로(33b)로부터 흘러나온 제2냉매의 과열도를 일정값으로 조절할 수 있다.
제1냉매가 냉매칠러(52)에서 제2냉매를 냉각하고, 냉각된 제2냉매가 배터리칠러(33)에서 배터리 냉각수를 냉각하며, 냉각된 배터리 냉각수가 배터리팩(32)을 냉각할 수 있다. 이와 같이, 제2냉동사이클(14)은 냉매칠러(52)를 통해 공조 서브시스템(11)의 제1냉동사이클(21)에 열적으로 연결되고, 배터리칠러(33)를 통해 배터리 냉각서브시스템(12)에 열적으로 연결됨으로써 제1냉동사이클(21), 제2냉동사이클(14) 및 배터리 냉각서브시스템(13)은 캐스케이드 냉동사이클(cascade refrigeration cycle)을 구성할 수 있다.
공조 서브시스템(11), 배터리 냉각서브시스템(12), 파워트레인 냉각서브시스템(13), 및 제2냉동사이클(14)은 제어기(100)에 의해 그 전체적인 작동이 제어될 수 있다. 예컨대, 제어기(100)는 냉방측 팽창밸브(26)의 개폐밸브(26a), PTC히터(29b), 에어믹싱도어(29a), 제1압축기(23), 냉각팬(46), 제1칠러측 팽창밸브(53)의 구동모터(53a), 난방측 팽창밸브(54)의 구동모터(54a), 제1칠러측 팽창밸브(65)의 구동모터(65a), 제2압축기(62), 제1배터리펌프(34), 제2배터리펌프(35), 파워트레인펌프(45), 쓰리웨이밸브(39, 48, 74) 등의 작동을 제어함으로써, 승객실에 대한 냉방 및 난방, 배터리팩(32)의 냉각, 파워트레인 컴포넌트(42)의 냉각을 적절히 실행할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제어기(100)는 FATC(Full Automatic Temperature Control System)일 수 있다.
배터리 냉각서브시스템(12)은 배터리 관리시스템(110, BATTERY MANAGEMENT SYSTEM)에 의해 제어되도록 구성될 수 있다. 배터리 관리시스템(110)은 배터리팩(32)의 상태를 모니터링하고, 배터리팩(32)의 온도가 설정온도 이상으로 높아질 경우 배터리팩(32)의 냉각을 실행하도록 구성될 수 있다. 배터리 관리시스템(110)은 제어기(100)에 대해 배터리팩(32)의 냉각작동을 지시하는 명령을 전송할 수 있고, 이에 제어기(100)는 제2압축기(62)의 작동 및 팽창밸브(53, 65)들의 개도를 제어할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제1냉매 및 제2냉매는 서로 다른 냉매일 수 있다. 예컨대, 제1냉매는 R1234yf(hydrofluoroolefin (HFO) refrigerant)일 수 있고, 제2냉매는 R290 등과 같은 자연냉매일 수 있다. 이에 제1냉동사이클(21)의 효율 및 제2냉동사이클(14)의 효율이 개별적으로 향상될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 제1냉매는 제2냉매와 동일한 냉매일 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열관리시스템은 2개의 압축기(23, 62)를 포함하고 있으므로, 각 압축기(23, 62)의 용량이 기존의 열관리시스템의 압축기의 용량에 비해 현저하게 작을 수 있다. 예컨대, 기존의 열관리시스템의 압축기의 용량이 45cc인 데 반해, 제1압축기(23)의 용량 및 제2압축기(62)의 용량은 30cc 이하로 작아질 수 있다. 또한, 2개의 압축기(23, 62)가 이용됨에 따라 각 냉매의 압축효율이 개선될 수 있고, 특히 제1압축기(23)의 용량이 감소함에 따라 증발기(27)의 용량이 감소할 수 있다. .
일 실시예에 따르면, 제1압축기(23)의 용량은 제2압축기(62)의 용량과 다를 수 있다. 특히, 제1압축기(23)는 냉매칠러(52) 및 증발기(27)로부터 수용된 제1냉매를 압축하도록 구성되고, 제2압축기(62)는 배터리칠러(33)로부터 수용된 제2냉매를 압축하도록 구성된다. 이에 제1압축기(23)의 용량이 제2압축기(62)의 용량 보다 상대적으로 클 수 있다. 예컨대, 제1압축기(23)의 용량이 27cc일 수 있고, 제2압축기(62)의 용량은 20cc일 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 제1압축기(23)의 용량이 제2압축기(62)의 용량과 도일할 수 있다.
도 2는 공조 서브시스템(11)이 냉방모드로 작동할 때, 배터리팩(32)이 제2냉동사이클(14) 및 배터리 냉각서브시스템(12)에 의해 냉각되며, 배터리팩(32)의 냉각이 공조 서브시스템(11)에 대해 독립적으로 냉각되는 것을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 제3포트(48c)가 폐쇄되도록 파워트레인 냉각서브시스템(13)의 쓰리웨이밸브(48)가 스위칭하고, 이에 파워트레인 냉각수는 파워트레인 냉각수루프(41)를 순환한다. 제3포트(74c)가 페쇄되도록 공조 서브시스템(11)의 쓰리웨이밸브(74)가 스위칭하고, 난방측 팽창밸브(54)의 개도가 100%로 완전히 개방됨으로써 제1냉매는 난방측 팽창밸브(54)에 의해 팽창하지 않는다. 제1칠러측 팽창밸브(53)가 폐쇄되고, 이에 제1냉매가 냉매칠러(52)의 제1통로(52a)를 통과하지 않으므로 제2냉매는 냉매칠러(52)에서 제1냉매와 열교환하지 않는다. 제2포트(39b)가 폐쇄되고 제3포트(39c)가 제1포트(39a)와 소통하도록 배터리 냉각서브시스템(12)의 쓰리웨이밸브(39)가 스위칭하고(즉, 쓰리웨이밸브(39)가 제1배터리 바이패스도관(37)의 입구를 개방하도록 스위칭함), 일부의 배터리 냉각수는 제1배터리 바이패스도관(37)을 통해 흐름으로써 제2배터리펌프(35), 배터리 라디에이터(36), 및 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72)를 우회하고 제1배터리펌프(34)에 의해 배터리팩(32), 배터리칠러(33)의 제1통로(33a) 순으로 통과할 수 있다. 나머지의 배터리 냉각수는 제2배터리 바이패스도관(38)을 통해 흐름으로써 제1배터리펌프(34), 배터리팩(32), 및 배터리칠러(33)의 제1통로(33a)를 우회하고 제2배터리펌프(35)에 의해 배터리 라디에이터(36), 응축기(63)의 제1통로(63a), 및 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72) 순으로 통과할 수 있다. 응축기(63)는 제2배터리 바이패스도관(38)을 통과하는 배터리 냉각수에 의해 제2압축기(62)로부터 수용된 제2냉매를 냉각하고 응축할 수 있다. 응축기(63)에 의해 냉각되고 응축된 제2냉매는 제2칠러측 팽창밸브(65)에 의해 팽창되고, 팽창된 제2냉매는 배터리칠러(33)의 제2통로(33b)를 통과함으로써 배터리칠러(33) 내에서 제2냉매가 배터리 냉각수를 냉각하며, 냉각된 배터리 냉각수는 배터리팩(32)을 냉각할 수 있다.
도 3은 공조 서브시스템(11)이 냉방모드로 작동할 때, 배터리팩(32)이 공조 서브시스템(11)의 제1냉동사이클(21), 제2냉동사이클(14), 및 배터리 냉각서브시스템(12)에 의해 냉각되는 것을 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 제2포트(39b)가 폐쇄되고 제3포트(39c)가 제1포트(39a)와 소통하도록 배터리 냉각서브시스템(12)의 쓰리웨이밸브(39)가 스위칭하고(즉, 쓰리웨이밸브(39)가 제1배터리 바이패스도관(37)의 입구를 개방하도록 스위칭함), 일부의 배터리 냉각수는 제1배터리 바이패스도관(37)을 통해 흐름으로써 제2배터리펌프(35), 응축기(63), 배터리 라디에이터(36), 및 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72)를 우회하고 제1배터리펌프(34)에 의해 배터리팩(32), 배터리칠러(33)의 제1통로(33a) 순으로 통과할 수 있다. 나머지의 배터리 냉각수는 제2배터리 바이패스도관(38)을 통해 흐름으로써 제1배터리펌프(34), 배터리팩(32), 및 배터리칠러(33)의 제1통로(33a)를 우회하고 제2배터리펌프(35)에 의해 배터리 라디에이터(36), 응축기(63)의 제1통로(63a), 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72) 순으로 통과할 수 있다. 응축기(63)는 제2배터리 바이패스도관(38)을 통과하는 배터리 냉각수에 의해 제2압축기(62)로부터 수용된 제2냉매를 냉각하고 응축할 수 있다. 제3포트(48c)가 폐쇄되도록 파워트레인 냉각서브시스템(13)의 쓰리웨이밸브(48)가 스위칭하고, 이에 파워트레인 냉각수는 파워트레인 냉각수루프(41)를 순환한다. 제3포트(74c)가 폐쇄되도록 공조 서브시스템(11)의 쓰리웨이밸브(74)가 스위칭하고, 난방측 팽창밸브(54)의 개도가 100%로 완전히 개방됨으로써 제1냉매는 난방측 팽창밸브(54)에 의해 팽창하지 않는다. 제1칠러측 팽창밸브(53)가 일정 개도로 개방되고, 이에 제1냉매는 냉매칠러(52)의 제1통로(52a)를 통과함으로써 제2냉매는 냉매칠러(52)에서 제1냉매와 열교환할 수 있다. 냉매칠러(52)의 제2통로(52b)를 통과하는 제2냉매의 온도가 냉매칠러(52)의 제1통로(52a)를 통과하는 제1냉매의 온도 보다 상대적으로 높으므로 열이 제2냉매로부터 제1냉매로 전달되고, 이에 냉매칠러(52)의 제2통로(52b)를 통과하는 제2냉매는 냉각되고 응축되며, 냉매칠러(52)의 제1통로(52a)를 통과하는 제1냉매는 증발(기화)된다. 냉매칠러(52)에 의해 냉각되고 응축된 제2냉매는 제2칠러측 팽창밸브(65)에 의해 팽창되고, 팽창된 제2냉매는 배터리칠러(33)의 제2통로(33b)를 통과함으로써 배터리칠러(33)에서 제2냉매가 배터리 냉각수를 냉각하며, 냉각된 배터리 냉각수는 배터리팩(32)을 냉각할 수 있다.
도 3 및 도 30를 참조하면, 공조 서브시스템(11)의 제1냉동사이클(21) 상에서 제1냉매는 제1압축기(23)에 의해 압축되고, 압축된 제1냉매는 수냉식 열교환기(70)에 의해 1차적으로 응축되고 외측 열교환기(25)에 의해 2차적으로 응축되며, 응축된 제1냉매는 냉방측 팽창밸브(26) 내에서 팽창되고, 팽창된 제1냉매는 증발기(27)에 의해 기화될 수 있다. 제2냉동사이클(14) 상에서 제2냉매는 제2압축기(62)에 의해 압축되고, 압축된 제2냉매는 응축기(63)에 의해 1차적으로 응축되고 냉매칠러(52)에 의해 2차적으로 응축되며, 응축된 제2냉매는 제2칠러측 팽창밸브(65)에 의해 팽창되고, 팽창된 제2냉매는 배터리칠러(33)에 의해 기화될 수 있다. 이에 의해, 제1냉매가 냉매칠러(52)를 통해 제2냉매를 냉각하고, 냉각된 제2냉매가 배터리칠러(33)를 통해 배터리 냉각수를 냉각하며, 냉각된 배터리 냉각수가 배터리팩(32)을 냉각함으로써 배터리 냉각수 및 배터리팩(32)의 냉각성능이 대폭 향상될 수 있다.
도 4는 공조 서브시스템(11)의 제1압축기(23)가 작동하지 않을 때, 배터리팩(32)이 배터리 냉각서브시스템(12) 및 제2냉동사이클(14)에 의해 냉각되는 것을 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 제2포트(39b)가 폐쇄되고 제3포트(39c)가 제1포트(39a)와 소통하도록 배터리 냉각서브시스템(12)의 쓰리웨이밸브(39)가 스위칭하고(즉, 쓰리웨이밸브(39)가 제1배터리 바이패스도관(37)의 입구를 개방하도록 스위칭함), 일부의 배터리 냉각수는 제1배터리 바이패스도관(37)을 통해 흐름으로써 제2배터리펌프(35), 배터리 라디에이터(36), 및 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72)를 우회하고 제1배터리펌프(34)에 의해 배터리팩(32) 및 배터리칠러(33) 순으로 통과할 수 있다. 나머지의 배터리 냉각수는 제2배터리 바이패스도관(38)을 통해 흐름으로써 제1배터리펌프(34), 배터리팩(32), 및 배터리칠러(33)를 우회하고 제2배터리펌프(35)에 의해 배터리 라디에이터(36) 및 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72) 순으로 통과할 수 있다. 이에 제2냉매는 응축기(63)에서 제2배터리 바이패스도관(38)을 통과하는 배터리 냉각수에 의해 냉각되고 응축될 수 있다. 공조 서브시스템(11)의 제1압축기(23)가 정지됨으로써 제1냉매가 제1냉동사이클(21)의 제1냉매루프(22)를 순환하지 않는다. 또한, 파워트레인 냉각서브시스템(13)의 파워트레인펌프(45)가 정지함으로써 파워트레인 냉각수가 파워트레인 냉각수루프(41)를 순환하지 않는다. 제2냉동사이클(14)의 제2압축기(62)가 작동함으로써 제2냉매는 배터리칠러(33)에서 배터리 냉각수를 냉각할 수 있고, 냉각된 배터리 냉각수가 배터리팩(32)을 냉각할 수 있다.
도 5는 공조 서브시스템(11)이 냉방모드 및 난방모드로 작동하지 않을 때, 배터리팩(32)이 공조 서브시스템(11)의 제1냉동사이클(21), 제2냉동사이클(14), 및 배터리 냉각서브시스템(12)에 의해 냉각되는 것을 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 냉방측 팽창밸브(26)의 개폐밸브(26a)가 폐쇄됨으로써 제1냉매는 증발기(27)로 흘러들어가지 않고, 분기도관(51)을 통해 제1칠러측 팽창밸브(53) 및 냉매칠러(52)만으로 흘러들어갈 수 있다. 제2포트(39b)가 폐쇄되고 제3포트(39c)가 제1포트(39a)와 소통하도록 배터리 냉각서브시스템(12)의 쓰리웨이밸브(39)가 스위칭하고(즉, 쓰리웨이밸브(39)가 제1배터리 바이패스도관(37)의 입구를 개방하도록 스위칭함), 일부의 배터리 냉각수는 제1배터리 바이패스도관(37)을 통해 흐름으로써 제2배터리펌프(35), 배터리 라디에이터(36), 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72)를 우회하고 제1배터리펌프(34)에 의해 배터리팩(32) 및 배터리칠러(33) 순으로 통과할 수 있다. 나머지의 배터리 냉각수는 제2배터리 바이패스도관(38)을 통해 흐름으로써 제1배터리펌프(34), 배터리팩(32), 및 배터리칠러(33)를 우회하고 제2배터리펌프(35)에 의해 배터리 라디에이터(36) 및 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72) 순으로 통과할 수 있다. 제2냉매는 응축기(63)에서 제2배터리 바이패스도관(38)을 통과하는 배터리 냉각수에 의해 냉각되고 응축될 수 있다. 제1칠러측 팽창밸브(53)가 일정 개도로 개방되고, 이에 제1냉매는 냉매칠러(52)의 제1통로(52a)를 통과함으로써 제2냉매는 냉매칠러(52)에서 제1냉매와 열교환할 수 있다. 냉매칠러(52)의 제2통로(52b)를 통과하는 제2냉매의 온도가 냉매칠러(52)의 제1통로(52a)를 통과하는 제1냉매의 온도 보다 상대적으로 높으므로 열이 제2냉매로부터 제1냉매로 전달되고, 이에 냉매칠러(52)의 제2통로(52b)를 통과하는 제2냉매는 냉각되고 응축되며, 냉매칠러(52)의 제1통로(52a)를 통과하는 제1냉매는 증발(기화)된다. 냉매칠러(52)에 의해 냉각되고 응축된 제2냉매는 배터리칠러(33)에서 배터리 냉각수를 냉각하고, 냉각된 배터리 냉각수는 배터리팩(32)을 냉각할 수 있다.
도 6은 공조 서브시스템(11)이 난방모드로 작동할 때, 배터리팩(32)이 냉각되지 않는 것을 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 제3포트(74c)가 개방되도록 공조 서브시스템(11)의 쓰리웨이밸브(74)가 스위칭하고, 난방측 팽창밸브(54)는 일정한 개도로 조절된다. 공조 서브시스템(11)의 제1냉동사이클(21) 상에서 제1냉매는 제1압축기(23)에 의해 압축되고, 압축된 제1냉매는 내측 응축기(24)를 통해 응축되며, 내측 응축기(24)를 통과하는 공기는 가열됨으로써 승객실에 대한 난방이 실행된다. 난방측 팽창밸브(54)의 개도가 조절됨으로써 제1냉매는 난방측 팽창밸브(54)에 의해 팽창되고, 팽창된 제1냉매는 수냉식 열교환기(70)에 의해 기화되며, 기화된 제1냉매는 어큐뮬레이터(23a)를 거쳐 제1압축기(23)로 흘러들어간다. 제1포트(39a), 제2포트(39b), 및 제3포트(39c)가 모두 폐쇄되도록 배터리 냉각서브시스템(12)의 쓰리웨이밸브(39)가 스위칭하고, 제1배터리펌프(34)가 정지하며, 제2배터리펌프(35)가 작동함으로써 배터리 냉각수는 제2배터리 바이패스도관(38)을 통해 흐름으로써 제1배터리펌프(34), 배터리팩(32), 및 배터리칠러(33)를 우회하고 제2배터리펌프(35)에 의해 배터리 라디에이터(36) 및 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72)를 통과할 수 있다. 파워트레인 냉각서브시스템(13)의 파워트레인펌프(45)가 작동함으로써 파워트레인 냉각수는 파워트레인 냉각수루프(31)를 순환할 수 있다. 제2압축기(62)가 정지함으로써 제2냉매는 제2냉동사이클(14)의 제2냉매루프(61)를 순환하지 않는다.
도 7은 공조 서브시스템(11)이 난방모드로 작동할 때, 배터리팩(32)이 배터리 냉각서브시스템(12), 및 제2냉동사이클(14)에 의해 냉각되는 것을 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 제3포트(74c)가 개방되도록 공조 서브시스템(11)의 쓰리웨이밸브(74)가 스위칭하고, 난방측 팽창밸브(54)는 일정한 개도로 조절된다. 공조 서브시스템(11)의 제1냉동사이클(21) 상에서 제1냉매는 제1압축기(23)에 의해 압축되고, 압축된 제1냉매는 내측 응축기(24)를 통해 응축되며, 내측 응축기(24)를 통과하는 공기는 가열됨으로써 승객실에 대한 난방이 실행된다. 난방측 팽창밸브(54)의 개도가 조절됨으로써 제1냉매는 난방측 팽창밸브(54)에 의해 팽창되고, 팽창된 제1냉매는 수냉식 열교환기(70)에 의해 기화되며, 기화된 제1냉매는 어큐뮬레이터(23a)를 거쳐 제1압축기(23)로 흘러들어간다. 제2포트(39b)가 폐쇄되고 제3포트(39c)가 제1포트(39a)와 소통하도록 배터리 냉각서브시스템(12)의 쓰리웨이밸브(39)가 스위칭하고(즉, 쓰리웨이밸브(39)가 제1배터리 바이패스도관(37)의 입구를 개방하도록 스위칭함), 일부의 배터리 냉각수는 제1배터리 바이패스도관(37)을 통해 흐름으로써 제2배터리펌프(35), 배터리 라디에이터(36), 및 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72)를 우회하고 제1배터리펌프(34)에 의해 배터리팩(32) 및 배터리칠러(33) 순으로 통과할 수 있다. 나머지의 배터리 냉각수는 제2배터리 바이패스도관(38)을 통해 흐름으로써 제1배터리펌프(34), 배터리팩(32), 및 배터리칠러(33)를 우회하고 제2배터리펌프(35)에 의해 배터리 라디에이터(36) 및 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72) 순으로 통과할 수 있다. 제2냉매는 배터리칠러(33)에서 제1배터리 바이패스도관(37)을 통과하는 배터리 냉각수에 의해 기화될 수 있고, 배터리 냉각수는 배터리칠러(33)에서 제2냉매에 의해 냉각될 수 있으며, 냉각된 배터리 냉각수는 배터리팩(32)을 냉각할 수 있다. 제2냉매는 응축기(63)에서 제2배터리 바이패스도관(38)을 통과하는 배터리 냉각수에 의해 냉각되고 응축될 수 있다. 파워트레인 냉각서브시스템(13)의 파워트레인펌프(45)가 작동함으로써 파워트레인 냉각수는 파워트레인 냉각수루프(31)를 순환할 수 있다.
상술한 바와 같이, 공조 서브시스템(11)이 난방모드로 작동할 때, 수냉식 열교환기(70)는 제1냉매를 기화시키는 증발기의 기능을 할 수 있다. 이에, 응축기(63)의 제1통로(63a)가 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72)의 상류에 위치하고 파워트레인 컴포넌트(42)가 수냉식 열교환기(70)의 제3통로(73)의 상류에 위치함으로써 응축기(63)에서 승온된 배터리 냉각수 및 파워트레인 컴포넌트(42)에 의해 승온된 파워트레인 냉각수는 수냉식 열교환기(70)에서 제1냉매를 기화시키기 위한 충분한 열원으로 제공될 수 있다. 이에 공조 서브시스템(11)의 난방작동 시에 그 난방열원을 충분히 확보할 수 있다.
도 8 내지 도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 열관리시스템을 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 열관리시스템은, 제2냉동사이클(14)의 응축기(163)는 배터리 냉각수루프(31) 상에서 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72)의 하류에 위치할 수 있다. 이와 같이, 배터리 냉각서브시스템(12)의 배터리 냉각수루프(31) 상에서 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72)가 제2냉동사이클(14)의 응축기(163) 보다 상류에 위치함으로써 수냉식 열교환기(70)에 의한 제1냉매의 응축 또는 증발(기화)이 응축기(163)에 의한 제2냉매의 응축 보다 우선적으로 확보할 수 있다. 구체적인 실시예에 따르면, 제2냉동사이클(14)의 응축기(163)는 배터리 냉각서브시스템(12)의 배터리 냉각수루프(31) 상에서 배터리 라디에이터(36) 및 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72) 사이에 위치할 수 있다. 응축기(163)는 배터리 냉각서브시스템(12)의 배터리 냉각수루프(31)에 유체적으로 연결된 제1통로(163a)와, 제2냉동사이클(14)의 제2냉매루프(61)에 유체적으로 연결된 제2통로(163b)를 포함할 수 있다. 제1통로(163a)는 배터리 냉각서브시스템(12)의 배터리 냉각수루프(31) 상에서 배터리 라디에이터(36) 및 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72) 사이에 위치할 수 있고, 이에 제1통로(163a)는 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72)의 하류에 위치할 수 있다. 제2통로(163b)는 제2냉매루프(61) 상에서 제2압축기(62)의 하류에 위치할 수 있다. 배터리 냉각수가 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72)로부터 응축기(163)의 제1통로(163a)로 수용되고, 제2냉매가 응축기(163)의 제2통로(163b)를 통과함으로써 제2냉매는 응축기(163)에서 배터리 냉각수에 의해 냉각되고 응축될 수 있다.
도 9는 공조 서브시스템(11)이 냉방모드로 작동할 때, 공조 서브시스템(11)이 냉방모드로 작동할 때, 배터리팩(32)이 제2냉동사이클(14) 및 배터리 냉각서브시스템(12)에 의해 냉각되며, 배터리팩(32)의 냉각이 공조 서브시스템(11)에 대해 독립적으로 냉각되는 것을 도시한 도면이다.
도 9를 참조하면, 제3포트(48c)가 폐쇄되도록 파워트레인 냉각서브시스템(13)의 쓰리웨이밸브(48)가 스위칭하고, 이에 파워트레인 냉각수는 파워트레인 냉각수루프(41)를 순환한다. 제3포트(74c)가 페쇄되도록 공조 서브시스템(11)의 쓰리웨이밸브(74)가 스위칭하고, 난방측 팽창밸브(54)의 개도가 100%로 완전히 개방됨으로써 제1냉매는 난방측 팽창밸브(54)에 의해 팽창하지 않는다. 제1칠러측 팽창밸브(53)가 폐쇄되고, 이에 제1냉매가 냉매칠러(52)의 제1통로(52a)를 통과하지 않으므로 제2냉매는 냉매칠러(52)에서 제1냉매와 열교환하지 않는다. 제2포트(39b)가 폐쇄되고 제3포트(39c)가 제1포트(39a)와 소통하도록 배터리 냉각서브시스템(12)의 쓰리웨이밸브(39)가 스위칭한다(즉, 쓰리웨이밸브(39)가 제1배터리 바이패스도관(37)의 입구를 개방하도록 스위칭함). 이에, 일부의 배터리 냉각수는 제1배터리 바이패스도관(37)을 통해 흐름으로써 제2배터리펌프(35), 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72), 응축기(163)의 제1통로(163a), 배터리 라디에이터(36) 및 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72)를 우회하고 제1배터리펌프(34)에 의해 배터리팩(32) 및 배터리칠러(33) 순으로 통과할 수 있다. 나머지의 배터리 냉각수는 제2배터리 바이패스도관(38)을 통해 흐름으로써 제1배터리펌프(34), 배터리팩(32), 및 배터리칠러(33)를 우회하고 제2배터리펌프(35)에 의해 배터리 라디에이터(36), 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72), 응축기(163)의 제1통로(163a) 순으로 통과할 수 있다. 응축기(163)는 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72)로부터 수용된 배터리 냉각수에 의해 제2압축기(62)로부터 수용된 제2냉매를 냉각하고 응축할 수 있다. 응축기(163)에 의해 냉각되고 응축된 제2냉매는 제2칠러측 팽창밸브(65)에 의해 팽창되고, 팽창된 제2냉매는 배터리칠러(33)의 제2통로(33b)를 통과함으로써 배터리칠러(33)에서 제2냉매가 배터리 냉각수를 냉각하며, 냉각된 배터리 냉각수는 배터리팩(32)을 냉각할 수 있다.
도 10은 공조 서브시스템(11)이 냉방모드로 작동할 때, 배터리팩(32)이 공조 서브시스템(11)의 제1냉동사이클(21), 제2냉동사이클(14), 및 배터리 냉각서브시스템(12)에 의해 냉각되는 것을 도시한 도면이다.
도 10을 참조하면, 제2포트(39b)가 폐쇄되고 제3포트(39c)가 제1포트(39a)와 소통하도록 배터리 냉각서브시스템(12)의 쓰리웨이밸브(39)가 스위칭하고(즉, 쓰리웨이밸브(39)가 제1배터리 바이패스도관(37)의 입구를 개방하도록 스위칭함), 일부의 배터리 냉각수는 제1배터리 바이패스도관(37)을 통해 흐름으로써 제2배터리펌프(35), 응축기(163), 배터리 라디에이터(36), 및 배터리 라디에이터(36)를 우회하고 제1배터리펌프(34)에 의해 배터리팩(32), 배터리칠러(33)의 제1통로(33a) 순으로 통과할 수 있다. 나머지의 배터리 냉각수는 제2배터리 바이패스도관(38)을 통해 흐름으로써 제1배터리펌프(34), 배터리팩(32), 및 배터리칠러(33)의 제1통로(33a)를 우회하고 제2배터리펌프(35)에 의해 배터리 라디에이터(36), 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72), 응축기(163)의 제1통로(163a) 순으로 통과할 수 있다. 응축기(163)는 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72)로부터 수용된 배터리 냉각수에 의해 제2압축기(62)로부터 수용된 제2냉매를 냉각하고 응축할 수 있다. 제3포트(48c)가 폐쇄되도록 파워트레인 냉각서브시스템(13)의 쓰리웨이밸브(48)가 스위칭하고, 이에 파워트레인 냉각수는 파워트레인 냉각수루프(41)를 순환한다. 제3포트(74c)가 폐쇄되도록 공조 서브시스템(11)의 쓰리웨이밸브(74)가 스위칭하고, 난방측 팽창밸브(54)의 개도가 100%로 완전히 개방됨으로써 제1냉매는 난방측 팽창밸브(54)에 의해 팽창하지 않는다. 제1칠러측 팽창밸브(53)가 일정 개도로 개방되고, 이에 제1냉매는 냉매칠러(52)의 제1통로(52a)를 통과함으로써 제2냉매는 냉매칠러(52)에서 제1냉매와 열교환할 수 있다. 냉매칠러(52)의 제2통로(52b)를 통과하는 제2냉매의 온도가 냉매칠러(52)의 제1통로(52a)를 통과하는 제1냉매의 온도 보다 상대적으로 높으므로 열이 제2냉매로부터 제1냉매로 전달되고, 이에 냉매칠러(52)의 제2통로(52b)를 통과하는 제2냉매는 냉각되고 응축되며, 냉매칠러(52)의 제1통로(52a)를 통과하는 제1냉매는 증발(기화)된다. 냉매칠러(52)에 의해 냉각되고 응축된 제2냉매는 제2칠러측 팽창밸브(65)에 의해 팽창되고, 팽창된 제2냉매는 배터리칠러(33)의 제2통로(33b)를 통과함으로써 배터리칠러(33)에서 제2냉매가 배터리 냉각수를 냉각하며, 냉각된 배터리 냉각수는 배터리팩(32)을 냉각할 수 있다.
도 10 및 도 30를 참조하면, 공조 서브시스템(11)의 제1냉동사이클(21) 상에서 제1냉매는 제1압축기(23)에 의해 압축되고, 압축된 제1냉매는 수냉식 열교환기(70)에 의해 1차적으로 응축되고 외측 열교환기(25)에 의해 2차적으로 응축되며, 응축된 제1냉매는 냉방측 팽창밸브(26) 내에서 팽창되고, 팽창된 제1냉매는 증발기(27)에 의해 기화될 수 있다. 제2냉동사이클(14) 상에서 제2냉매는 제2압축기(62)에 의해 압축되고, 압축된 제2냉매는 응축기(163)에 의해 1차적으로 응축되고 냉매칠러(52)에 의해 2차적으로 응축되며, 응축된 제2냉매는 제2칠러측 팽창밸브(65)에 의해 팽창되고, 팽창된 제2냉매는 배터리칠러(33)에 의해 기화될 수 있다. 이에 의해, 제1냉매가 냉매칠러(52)를 통해 제2냉매를 냉각하고, 냉각된 제2냉매가 배터리칠러(33)를 통해 배터리 냉각수를 냉각하며, 냉각된 배터리 냉각수가 배터리팩(32)을 냉각함으로써 배터리 냉각수 및 배터리팩(32)의 냉각성능이 대폭 향상될 수 있다.
도 11은 공조 서브시스템(11)의 제1압축기(23)가 작동하지 않고, 배터리팩(32)이 배터리 냉각서브시스템(12) 및 제2냉동사이클(14)에 의해 냉각되는 것을 도시한 도면이다.
도 11을 참조하면, 제2포트(39b)가 폐쇄되고 제3포트(39c)가 제1포트(39a)와 소통하도록 배터리 냉각서브시스템(12)의 쓰리웨이밸브(39)가 스위칭하고(즉, 쓰리웨이밸브(39)가 제1배터리 바이패스도관(37)의 입구를 개방하도록 스위칭함), 일부의 배터리 냉각수는 제1배터리 바이패스도관(37)을 통해 흐름으로써 제2배터리펌프(35), 배터리 라디에이터(36), 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72), 및 응축기(163)의 제1통로(163a)를 우회하고 제1배터리펌프(34)에 의해 배터리팩(32) 및 배터리칠러(33) 순으로 통과할 수 있다. 나머지의 배터리 냉각수는 제2배터리 바이패스도관(38)을 통해 흐름으로써 제1배터리펌프(34), 배터리팩(32), 및 배터리칠러(33)를 우회하고 제2배터리펌프(35)에 의해 배터리 라디에이터(36), 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72), 응축기(163)의 제1통로(163a) 순으로 통과할 수 있다. 제2냉매는 응축기(163)에서 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72)로부터 수용된 배터리 냉각수에 의해 냉각되고 응축될 수 있다. 공조 서브시스템(11)의 제1압축기(23)가 정지됨으로써 제1냉매가 제1냉동사이클(21)의 제1냉매루프(22)를 순환하지 않는다. 또한, 파워트레인 냉각서브시스템(13)의 파워트레인펌프(45)가 정지함으로써 파워트레인 냉각수가 파워트레인 냉각수루프(41)를 순환하지 않는다. 제2냉동사이클(14)의 제2압축기(62)가 작동함으로써 제2냉매는 배터리칠러(33)에서 배터리 냉각수를 냉각할 수 있고, 냉각된 배터리 냉각수가 배터리팩(32)을 냉각할 수 있다.
도 12는 공조 서브시스템(11)이 냉방모드 및 난방모드로 작동하지 않고, 배터리팩(32)이 공조 서브시스템(11)의 제1냉동사이클(21), 제2냉동사이클(14), 및 배터리 냉각서브시스템(12)에 의해 냉각되는 것을 도시한 도면이다.
도 12를 참조하면, 냉방측 팽창밸브(26)의 개폐밸브(26a)가 폐쇄됨으로써 제1냉매는 증발기(27)로 흘러들어가지 않고, 분기도관(51)을 통해 제1칠러측 팽창밸브(53) 및 냉매칠러(52)만으로 흘러들어갈 수 있다. 제2포트(39b)가 폐쇄되고 제3포트(39c)가 제1포트(39a)와 소통하도록 배터리 냉각서브시스템(12)의 쓰리웨이밸브(39)가 스위칭하고(즉, 쓰리웨이밸브(39)가 제1배터리 바이패스도관(37)의 입구를 개방하도록 스위칭함), 일부의 배터리 냉각수는 제1배터리 바이패스도관(37)을 통해 흐름으로써 제2배터리펌프(35), 배터리 라디에이터(36), 응축기(163)의 제1통로(163a), 및 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72)를 우회하고 제1배터리펌프(34)에 의해 배터리팩(32) 및 배터리칠러(33) 순으로 통과할 수 있다. 나머지의 배터리 냉각수는 제2배터리 바이패스도관(38)을 통해 흐름으로써 제1배터리펌프(34), 배터리팩(32), 및 배터리칠러(33)를 우회하고 제2배터리펌프(35)에 의해 배터리 라디에이터(36), 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72), 응축기(163)의 제1통로(163a) 순으로 통과할 수 있다. 제2냉매는 응축기(163)에서 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72)로부터 수용된 배터리 냉각수에 의해 냉각되고 응축될 수 있다. 제1칠러측 팽창밸브(53)가 일정 개도로 개방되고, 이에 제1냉매는 냉매칠러(52)의 제1통로(52a)를 통과함으로써 제2냉매는 냉매칠러(52)에서 제1냉매와 열교환할 수 있다. 냉매칠러(52)의 제2통로(52b)를 통과하는 제2냉매의 온도가 냉매칠러(52)의 제1통로(52a)를 통과하는 제1냉매의 온도 보다 상대적으로 높으므로 열이 제2냉매로부터 제1냉매로 전달되고, 이에 냉매칠러(52)의 제2통로(52b)를 통과하는 제2냉매는 냉각되고 응축되며, 냉매칠러(52)의 제1통로(52a)를 통과하는 제1냉매는 증발(기화)된다. 냉매칠러(52)에 의해 냉각되고 응축된 제2냉매는 배터리칠러(33)에서 배터리 냉각수를 냉각하고, 냉각된 배터리 냉각수는 배터리팩(32)을 냉각할 수 있다.
도 13은 공조 서브시스템(11)이 난방모드로 작동할 때, 배터리팩(32)이 냉각되지 않는 것을 도시한 도면이다.
도 13을 참조하면, 제3포트(74c)가 개방되도록 공조 서브시스템(11)의 쓰리웨이밸브(74)가 스위칭하고, 난방측 팽창밸브(54)는 일정한 개도로 조절된다. 공조 서브시스템(11)의 제1냉동사이클(21) 상에서 제1냉매는 제1압축기(23)에 의해 압축되고, 압축된 제1냉매는 내측 응축기(24)를 통해 응축되며, 내측 응축기(24)를 통과하는 공기는 가열됨으로써 승객실에 대한 난방이 실행된다. 난방측 팽창밸브(54)의 개도가 조절됨으로써 제1냉매는 난방측 팽창밸브(54)에 의해 팽창되고, 팽창된 제1냉매는 수냉식 열교환기(70)에 의해 기화되며, 기화된 제1냉매는 어큐뮬레이터(23a)를 거쳐 제1압축기(23)로 흘러들어간다. 제1포트(39a), 제2포트(39b), 및 제3포트(39c)가 모두 폐쇄되도록 배터리 냉각서브시스템(12)의 쓰리웨이밸브(39)가 스위칭하고, 제1배터리펌프(34)가 정지하며, 제2배터리펌프(35)가 작동함으로써 배터리 냉각수는 제2배터리 바이패스도관(38)을 통해 흐름으로써 제1배터리펌프(34), 배터리팩(32), 및 배터리칠러(33)를 우회하고 제2배터리펌프(35)에 의해 배터리 라디에이터(36), 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72), 및 응축기(163)의 제1통로(163a)를 통과할 수 있다. 파워트레인 냉각서브시스템(13)의 파워트레인펌프(45)가 작동함으로써 파워트레인 냉각수는 파워트레인 냉각수루프(31)를 순환할 수 있다. 제2압축기(62)가 정지함으로써 제2냉매는 제2냉동사이클(14)의 제2냉매루프(61)를 순환하지 않는다.
도 14는 공조 서브시스템(11)이 난방모드로 작동할 때, 배터리팩(32)이 배터리 냉각서브시스템(12), 및 제2냉동사이클(14)에 의해 냉각되는 것을 도시한 도면이다.
도 14를 참조하면, 제3포트(74c)가 개방되도록 공조 서브시스템(11)의 쓰리웨이밸브(74)가 스위칭하고, 난방측 팽창밸브(54)는 일정한 개도로 조절된다. 공조 서브시스템(11)의 제1냉동사이클(21) 상에서 제1냉매는 제1압축기(23)에 의해 압축되고, 압축된 제1냉매는 내측 응축기(24)를 통해 응축되며, 내측 응축기(24)를 통과하는 공기는 가열됨으로써 승객실에 대한 난방이 실행된다. 난방측 팽창밸브(54)의 개도가 조절됨으로써 제1냉매는 난방측 팽창밸브(54)에 의해 팽창되고, 팽창된 제1냉매는 수냉식 열교환기(70)에 의해 기화되며, 기화된 제1냉매는 어큐뮬레이터(23a)를 거쳐 제1압축기(23)로 흘러들어간다. 제2포트(39b)가 폐쇄되고 제3포트(39c)가 제1포트(39a)와 소통하도록 배터리 냉각서브시스템(12)의 쓰리웨이밸브(39)가 스위칭하고(즉, 쓰리웨이밸브(39)가 제1배터리 바이패스도관(37)의 입구를 개방하도록 스위칭함), 일부의 배터리 냉각수는 제1배터리 바이패스도관(37)을 통해 흐름으로써 제2배터리펌프(35), 배터리 라디에이터(36), 및 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72), 응축기(163)의 제1통로(163a)를 우회하고 제1배터리펌프(34)에 의해 배터리팩(32) 및 배터리칠러(33) 순으로 통과할 수 있다. 나머지의 배터리 냉각수는 제2배터리 바이패스도관(38)을 통해 흐름으로써 제1배터리펌프(34), 배터리팩(32), 및 배터리칠러(33)를 우회하고 제2배터리펌프(35)에 의해 배터리 라디에이터(36), 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72), 및 응축기(163)의 제1통로(163a) 순으로 통과할 수 있다. 제2냉매는 배터리칠러(33)에서 제1배터리 바이패스도관(37)을 통과하는 배터리 냉각수에 의해 기화될 수 있고, 배터리 냉각수는 배터리칠러(33)에서 제2냉매에 의해 냉각될 수 있으며, 냉각된 배터리 냉각수는 배터리팩(32)을 냉각할 수 있다. 제2냉매는 응축기(163)에서 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72)로부터 수용된 배터리 냉각수에 의해 냉각되고 응축될 수 있다. 파워트레인 냉각서브시스템(13)의 파워트레인펌프(45)가 작동함으로써 파워트레인 냉각수는 파워트레인 냉각수루프(31)를 순환할 수 있다.
상술한 바와 같이, 공조 서브시스템(11)이 난방모드로 작동할 때, 수냉식 열교환기(70)는 제1냉매를 기화시키는 증발기의 기능을 할 수 있다. 이에, 파워트레인 컴포넌트(42)가 수냉식 열교환기(70)의 제3통로(73)의 상류에 위치함으로써 파워트레인 컴포넌트(42)에 의해 승온된 파워트레인 냉각수는 수냉식 열교환기(70)에서 제1냉매를 기화시키기 위한 충분한 열원으로 제공될 수 있다. 이에 공조 서브시스템(11)의 난방작동 시에 그 난방열원을 충분히 확보할 수 있다.
도 15 내지 도 21은 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 열관리시스템을 도시한 도면이다.
도 15를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 열관리시스템은, 제2냉동사이클(14)의 응축기(263)가 파워트레인 냉각서브시스템(13)과 열적으로 연결될 수 있다. 이에, 제2냉매는 응축기(263)를 통해 파워트레인 냉각서브시스템(13)을 순환하는 파워트레인 냉각수와 열교환함으로써 냉각되고 응축될 수 있다. 특히, 응축기(263)는 파워트레인 라디에이터(44)를 통해 외기에 의해 냉각된 파워트레인 냉각수 및 제2압축기(62)로부터 수용된 제2냉매 사이에서 열을 전달하도록 구성될 수 있다. 이에 제2냉매는 응축기(263)에서 파워트레인 냉각수에 의해 냉각되고 응축될 수 있고, 파워트레인 냉각수는 응축기(263)에서 제2냉매에 의해 승온될 수 있다. 응축기(263)는 파워트레인 냉각서브시스템(13)의 파워트레인 냉각수루프(41)에 유체적으로 연결된 제1통로(263a)와, 제2냉동사이클(14)의 제2냉매루프(61)에 유체적으로 연결된 제2통로(263b)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 응축기(263)의 제1통로(263a)는 파워트레인 냉각수루프(41) 상에서 수냉식 열교환기(70)의 제3통로(73)의 상류에 위치할 수 있다. 구체적으로, 응축기(263)의 제1통로(263a)는 파워트레인 냉각수루프(41) 상에서 파워트레인 컴포넌트(42) 및 수냉식 열교환기(70)의 제3통로(73) 사이에 위치할 수 있다.
도 16은 공조 서브시스템(11)이 냉방모드로 작동할 때, 공조 서브시스템(11)이 냉방모드로 작동할 때, 배터리팩(32)이 제2냉동사이클(14), 배터리 냉각서브시스템(12), 및 파워트레인 냉각서브시스템(13)에 의해 냉각되며, 배터리팩(32)의 냉각이 공조 서브시스템(11)에 대해 독립적으로 냉각되는 것을 도시한 도면이다.
도 16을 참조하면, 제3포트(48c)가 폐쇄되도록 파워트레인 냉각서브시스템(13)의 쓰리웨이밸브(48)가 스위칭하고, 이에 파워트레인 냉각수는 파워트레인 냉각수루프(41)를 순환한다. 제3포트(74c)가 페쇄되도록 공조 서브시스템(11)의 쓰리웨이밸브(74)가 스위칭하고, 난방측 팽창밸브(54)의 개도가 100%로 완전히 개방됨으로써 제1냉매는 난방측 팽창밸브(54)에 의해 팽창하지 않는다. 제1칠러측 팽창밸브(53)가 폐쇄되고, 이에 제1냉매가 냉매칠러(52)의 제1통로(52a)를 통과하지 않으므로 제2냉매는 냉매칠러(52)에서 제1냉매와 열교환하지 않는다. 제2포트(39b)가 폐쇄되고 제3포트(39c)가 제1포트(39a)와 소통하도록 배터리 냉각서브시스템(12)의 쓰리웨이밸브(39)가 스위칭하고(즉, 쓰리웨이밸브(39)가 제1배터리 바이패스도관(37)의 입구를 개방하도록 스위칭함), 일부의 배터리 냉각수는 제1배터리 바이패스도관(37)을 통해 흐름으로써 제2배터리펌프(35), 배터리 라디에이터(36), 및 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72)를 우회하고 제1배터리펌프(34)에 의해 배터리팩(32), 배터리칠러(33)의 제1통로(33a) 순으로 통과할 수 있다. 나머지의 배터리 냉각수는 제2배터리 바이패스도관(38)을 통해 흐름으로써 제1배터리펌프(34), 배터리팩(32), 및 배터리칠러(33)의 제1통로(33a)를 우회하고 제2배터리펌프(35)에 의해 배터리 라디에이터(36), 및 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72) 순으로 통과할 수 있다. 응축기(263)는 파워트레인 냉각수루프(41)를 순환하는 파워트레인 냉각수에 의해 제2압축기(62)로부터 수용된 제2냉매를 냉각하고 응축할 수 있다. 응축기(263)에 의해 냉각되고 응축된 제2냉매는 제2칠러측 팽창밸브(65)에 의해 팽창되고, 팽창된 제2냉매는 배터리칠러(33)의 제2통로(33b)를 통과함으로써 배터리칠러(33) 내에서 제2냉매가 배터리 냉각수를 냉각하며, 냉각된 배터리 냉각수는 배터리팩(32)을 냉각할 수 있다.
도 17은 공조 서브시스템(11)이 냉방모드로 작동할 때, 배터리팩(32)이 공조 서브시스템(11)의 제1냉동사이클(21), 제2냉동사이클(14), 배터리 냉각서브시스템(12), 및 파워트레인 냉각서브시스템(13)에 의해 냉각되는 것을 도시한 도면이다.
도 17을 참조하면, 제2포트(39b)가 폐쇄되고 제3포트(39c)가 제1포트(39a)와 소통하도록 배터리 냉각서브시스템(12)의 쓰리웨이밸브(39)가 스위칭하고(즉, 쓰리웨이밸브(39)가 제1배터리 바이패스도관(37)의 입구를 개방하도록 스위칭함), 일부의 배터리 냉각수는 제1배터리 바이패스도관(37)을 통해 흐름으로써 제2배터리펌프(35), 배터리 라디에이터(36), 및 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72)를 우회하고 제1배터리펌프(34)에 의해 배터리팩(32), 배터리칠러(33)의 제1통로(33a) 순으로 통과할 수 있다. 나머지의 배터리 냉각수는 제2배터리 바이패스도관(38)을 통해 흐름으로써 제1배터리펌프(34), 배터리팩(32), 및 배터리칠러(33)의 제1통로(33a)를 우회하고 제2배터리펌프(35)에 의해 배터리 라디에이터(36), 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72) 순으로 통과할 수 있다. 제3포트(48c)가 폐쇄되도록 파워트레인 냉각서브시스템(13)의 쓰리웨이밸브(48)가 스위칭하고, 이에 파워트레인 냉각수는 파워트레인 냉각수루프(41)를 순환한다. 응축기(263)는 파워트레인 냉각수루프(41)를 순환하는 배터리 냉각수에 의해 제2압축기(62)로부터 수용된 제2냉매를 냉각하고 응축할 수 있다. 제3포트(74c)가 폐쇄되도록 공조 서브시스템(11)의 쓰리웨이밸브(74)가 스위칭하고, 난방측 팽창밸브(54)의 개도가 100%로 완전히 개방됨으로써 제1냉매는 난방측 팽창밸브(54)에 의해 팽창하지 않는다. 제1칠러측 팽창밸브(53)가 일정 개도로 개방되고, 이에 제1냉매는 냉매칠러(52)의 제1통로(52a)를 통과함으로써 제2냉매는 냉매칠러(52)에서 제1냉매와 열교환할 수 있다. 냉매칠러(52)의 제2통로(52b)를 통과하는 제2냉매의 온도가 냉매칠러(52)의 제1통로(52a)를 통과하는 제1냉매의 온도 보다 상대적으로 높으므로 열이 제2냉매로부터 제1냉매로 전달되고, 이에 냉매칠러(52)의 제2통로(52b)를 통과하는 제2냉매는 냉각되고 응축되며, 냉매칠러(52)의 제1통로(52a)를 통과하는 제1냉매는 증발(기화)된다. 냉매칠러(52)에 의해 냉각되고 응축된 제2냉매는 제2칠러측 팽창밸브(65)에 의해 팽창되고, 팽창된 제2냉매는 배터리칠러(33)의 제2통로(33b)를 통과함으로써 배터리칠러(33)에서 제2냉매가 배터리 냉각수를 냉각하며, 냉각된 배터리 냉각수는 배터리팩(32)을 냉각할 수 있다.
도 17 및 도 30를 참조하면, 공조 서브시스템(11)의 제1냉동사이클(21) 상에서 제1냉매는 제1압축기(23)에 의해 압축되고, 압축된 제1냉매는 수냉식 열교환기(70)에 의해 1차적으로 응축되고 외측 열교환기(25)에 의해 2차적으로 응축되며, 응축된 제1냉매는 냉방측 팽창밸브(26) 내에서 팽창되고, 팽창된 제1냉매는 증발기(27)에 의해 기화될 수 있다. 제2냉동사이클(14) 상에서 제2냉매는 제2압축기(62)에 의해 압축되고, 압축된 제2냉매는 응축기(263)에 의해 1차적으로 응축되고 냉매칠러(52)에 의해 2차적으로 응축되며, 응축된 제2냉매는 제2칠러측 팽창밸브(65)에 의해 팽창되고, 팽창된 제2냉매는 배터리칠러(33)에 의해 기화될 수 있다. 이에 의해, 제1냉매가 냉매칠러(52)를 통해 제2냉매를 냉각하고, 냉각된 제2냉매가 배터리칠러(33)를 통해 배터리 냉각수를 냉각하며, 냉각된 배터리 냉각수가 배터리팩(32)을 냉각함으로써 배터리 냉각수 및 배터리팩(32)의 냉각성능이 대폭 향상될 수 있다.
도 18은 공조 서브시스템(11)의 제1압축기(23)가 작동하지 않을 때, 배터리팩(32)이 배터리 냉각서브시스템(12), 제2냉동사이클(14), 및 파워트레인 냉각서브시스템(13)에 의해 냉각되는 것을 도시한 도면이다.
도 18을 참조하면, 제2포트(39b)가 폐쇄되고 제3포트(39c)가 제1포트(39a)와 소통하도록 배터리 냉각서브시스템(12)의 쓰리웨이밸브(39)가 스위칭하고(즉, 쓰리웨이밸브(39)가 제1배터리 바이패스도관(37)의 입구를 개방하도록 스위칭함), 제1배터리펌프(34)가 작동하고, 제2배터리펌프(35)가 정지함으로써 배터리 냉각수는 제1배터리 바이패스도관(37)을 통해 흐름으로써 제2배터리펌프(35), 배터리 라디에이터(36), 및 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72)를 우회하고 제1배터리펌프(34)에 의해 배터리팩(32) 및 배터리칠러(33) 순으로 통과할 수 있다. 제3포트(48c)가 폐쇄되도록 파워트레인 냉각서브시스템(13)의 쓰리웨이밸브(48)가 스위칭하고, 이에 파워트레인 냉각수는 파워트레인 냉각수루프(41)를 순환한다. 응축기(263)는 파워트레인 냉각수루프(41)를 순환하는 파워트레인 냉각수에 의해 제2압축기(62)로부터 수용된 제2냉매를 냉각하고 응축할 수 있다. 공조 서브시스템(11)의 제1압축기(23)가 정지됨으로써 제1냉매가 제1냉동사이클(21)의 제1냉매루프(22)를 순환하지 않는다. 제2냉동사이클(14)의 제2압축기(62)가 작동함으로써 제2냉매는 배터리칠러(33)에서 배터리 냉각수를 냉각할 수 있고, 냉각된 배터리 냉각수가 배터리팩(32)을 냉각할 수 있다.
도 19는 공조 서브시스템(11)이 냉방모드 및 난방모드로 작동하지 않을 때, 배터리팩(32)이 공조 서브시스템(11)의 제1냉동사이클(21), 제2냉동사이클(14), 배터리 냉각서브시스템(12), 및 파워트레인 냉각서브시스템(13)에 의해 냉각되는 것을 도시한 도면이다.
도 19를 참조하면, 냉방측 팽창밸브(26)의 개폐밸브(26a)가 폐쇄됨으로써 제1냉매는 증발기(27)로 흘러들어가지 않고, 분기도관(51)을 통해 제1칠러측 팽창밸브(53) 및 냉매칠러(52)만으로 흘러들어갈 수 있다. 제2포트(39b)가 폐쇄되고 제3포트(39c)가 제1포트(39a)와 소통하도록 배터리 냉각서브시스템(12)의 쓰리웨이밸브(39)가 스위칭하고(즉, 쓰리웨이밸브(39)가 제1배터리 바이패스도관(37)의 입구를 개방하도록 스위칭함), 일부의 배터리 냉각수는 제1배터리 바이패스도관(37)을 통해 흐름으로써 제2배터리펌프(35), 배터리 라디에이터(36), 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72)를 우회하고 제1배터리펌프(34)에 의해 배터리팩(32) 및 배터리칠러(33) 순으로 통과할 수 있다. 나머지의 배터리 냉각수는 제2배터리 바이패스도관(38)을 통해 흐름으로써 제1배터리펌프(34), 배터리팩(32), 및 배터리칠러(33)를 우회하고 제2배터리펌프(35)에 의해 배터리 라디에이터(36) 및 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72) 순으로 통과할 수 있다. 제2냉매는 응축기(263)에서 파워트레인 냉각수루프(41)를 순환하는 파워트레인 냉각수에 의해 냉각되고 응축될 수 있다. 제1칠러측 팽창밸브(53)가 일정 개도로 개방되고, 이에 제1냉매는 냉매칠러(52)의 제1통로(52a)를 통과함으로써 제2냉매는 냉매칠러(52)에서 제1냉매와 열교환할 수 있다. 냉매칠러(52)의 제2통로(52b)를 통과하는 제2냉매의 온도가 냉매칠러(52)의 제1통로(52a)를 통과하는 제1냉매의 온도 보다 상대적으로 높으므로 열이 제2냉매로부터 제1냉매로 전달되고, 이에 냉매칠러(52)의 제2통로(52b)를 통과하는 제2냉매는 냉각되고 응축되며, 냉매칠러(52)의 제1통로(52a)를 통과하는 제1냉매는 증발(기화)된다. 냉매칠러(52)에 의해 냉각되고 응축된 제2냉매는 배터리칠러(33)에서 배터리 냉각수를 냉각하고, 냉각된 배터리 냉각수는 배터리팩(32)을 냉각할 수 있다.
도 20은 공조 서브시스템(11)이 난방모드로 작동할 때, 배터리팩(32)이 냉각되지 않는 것을 도시한 도면이다.
도 20을 참조하면, 제3포트(74c)가 개방되도록 공조 서브시스템(11)의 쓰리웨이밸브(74)가 스위칭하고, 난방측 팽창밸브(54)는 일정한 개도로 조절된다. 공조 서브시스템(11)의 제1냉동사이클(21) 상에서 제1냉매는 제1압축기(23)에 의해 압축되고, 압축된 제1냉매는 내측 응축기(24)를 통해 응축되며, 내측 응축기(24)를 통과하는 공기는 가열됨으로써 승객실에 대한 난방이 실행된다. 난방측 팽창밸브(54)의 개도가 조절됨으로써 제1냉매는 난방측 팽창밸브(54)에 의해 팽창되고, 팽창된 제1냉매는 수냉식 열교환기(70)에 의해 기화되며, 기화된 제1냉매는 어큐뮬레이터(23a)를 거쳐 제1압축기(23)로 흘러들어간다. 제1포트(39a), 제2포트(39b), 및 제3포트(39c)가 모두 폐쇄되도록 배터리 냉각서브시스템(12)의 쓰리웨이밸브(39)가 스위칭하고, 제1배터리펌프(34)가 정지하며, 제2배터리펌프(35)가 작동함으로써 배터리 냉각수는 제2배터리 바이패스도관(38)을 통해 흐름으로써 제1배터리펌프(34), 배터리팩(32), 및 배터리칠러(33)를 우회하고 제2배터리펌프(35)에 의해 배터리 라디에이터(36) 및 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72)를 통과할 수 있다. 파워트레인 냉각서브시스템(13)의 파워트레인펌프(45)가 작동함으로써 파워트레인 냉각수는 파워트레인 냉각수루프(31)를 순환할 수 있다. 제2압축기(62)가 정지함으로써 제2냉매는 제2냉동사이클(14)의 제2냉매루프(61)를 순환하지 않는다.
도 21는 공조 서브시스템(11)이 난방모드로 작동할 때, 배터리팩(32)이 배터리 냉각서브시스템(12), 제2냉동사이클(14), 및 파워트레인 냉각서브시스템(13)에 의해 냉각되는 것을 도시한 도면이다.
도 21을 참조하면, 제3포트(74c)가 개방되도록 공조 서브시스템(11)의 쓰리웨이밸브(74)가 스위칭하고, 난방측 팽창밸브(54)는 일정한 개도로 조절된다. 공조 서브시스템(11)의 제1냉동사이클(21) 상에서 제1냉매는 제1압축기(23)에 의해 압축되고, 압축된 제1냉매는 내측 응축기(24)를 통해 응축되며, 내측 응축기(24)를 통과하는 공기는 가열됨으로써 승객실에 대한 난방이 실행된다. 난방측 팽창밸브(54)의 개도가 조절됨으로써 제1냉매는 난방측 팽창밸브(54)에 의해 팽창되고, 팽창된 제1냉매는 수냉식 열교환기(70)에 의해 기화되며, 기화된 제1냉매는 어큐뮬레이터(23a)를 거쳐 제1압축기(23)로 흘러들어간다. 제2포트(39b)가 폐쇄되고 제3포트(39c)가 제1포트(39a)와 소통하도록 배터리 냉각서브시스템(12)의 쓰리웨이밸브(39)가 스위칭하고(즉, 쓰리웨이밸브(39)가 제1배터리 바이패스도관(37)의 입구를 개방하도록 스위칭함), 일부의 배터리 냉각수는 제1배터리 바이패스도관(37)을 통해 흐름으로써 제2배터리펌프(35), 배터리 라디에이터(36), 및 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72)를 우회하고 제1배터리펌프(34)에 의해 배터리팩(32) 및 배터리칠러(33) 순으로 통과할 수 있다. 나머지의 배터리 냉각수는 제2배터리 바이패스도관(38)을 통해 흐름으로써 제1배터리펌프(34), 배터리팩(32), 및 배터리칠러(33)를 우회하고 제2배터리펌프(35)에 의해 배터리 라디에이터(36) 및 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72) 순으로 통과할 수 있다. 파워트레인 냉각서브시스템(13)의 파워트레인펌프(45)가 작동함으로써 파워트레인 냉각수는 파워트레인 냉각수루프(31)를 순환할 수 있다. 제2냉매는 응축기(263)에서 파워트레인 냉각수루프(41)를 순환하는 파워트레인 냉각수에 의해 냉각되고 응축될 수 있다. 제2냉매는 배터리칠러(33)에서 제1배터리 바이패스도관(37)을 통과하는 배터리 냉각수에 의해 기화될 수 있고, 배터리 냉각수는 배터리칠러(33)에서 제2냉매에 의해 냉각될 수 있으며, 냉각된 배터리 냉각수는 배터리팩(32)을 냉각할 수 있다.
상술한 바와 같이, 공조 서브시스템(11)이 난방모드로 작동할 때, 수냉식 열교환기(70)는 제1냉매를 기화시키는 증발기의 기능을 할 수 있다. 이에, 파워트레인 컴포넌트(42)가 응축기(263)의 제1통로(263a)의 상류에 위치하고 응축기(263)의 제1통로(263a)가 수냉식 열교환기(70)의 제3통로(73)의 상류에 위치함으로써 응축기(263)에서 승온된 파워트레인 냉각수는 수냉식 열교환기(70)에서 제1냉매를 기화시키기 위한 열원으로 제공될 수 있다. 이에 공조 서브시스템(11)의 난방작동 시에 그 난방열원을 충분히 확보할 수 있다.
도 22 내지 도 28은 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 열관리시스템을 도시한 도면이다.
도 22를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 열관리시스템은, 제2냉동사이클(14)의 응축기(363)는 배터리 냉각수루프(31) 상에서 수냉식 열교환기(70)의 제3통로(73)의 하류에 위치할 수 있다. 이에 따라, 수냉식 열교환기(70)의 제3통로(73)가 파워트레인 냉각수루프(41) 상에서 제2냉동사이클(14)의 응축기(363) 보다 상류에 위치함으로써 수냉식 열교환기(70)에 의한 제1냉매의 응축 또는 증발(기화)이 응축기(363)에 의한 제2냉매의 응축 보다 우선적으로 확보할 수 있다. 구체적인 실시예에 따르면, 제2냉동사이클(14)의 응축기(363)는 파워트레인 냉각서브시스템(13)의 파워트레인 냉각수루프(41) 상에서 파워트레인 라디에이터(44) 및 수냉식 열교환기(70)의 제3통로(73) 사이에 위치할 수 있다. 응축기(363)는 파워트레인 냉각서브시스템(13)의 파워트레인 냉각수루프(41)에 유체적으로 연결된 제1통로(363a)와, 제2냉동사이클(14)의 제2냉매루프(61)에 유체적으로 연결된 제2통로(363b)를 포함할 수 있다. 제1통로(363a)는 파워트레인 냉각서브시스템(13)의 파워트레인 냉각수루프(41) 상에서 파워트레인 라디에이터(44) 및 수냉식 열교환기(70)의 제3통로(73) 사이에 위치할 수 있고, 제2통로(363b)는 제2냉매루프(61) 상에서 제2압축기(62)의 하류지점에 위치할 수 있다. 파워트레인 냉각수는 수냉식 열교환기(70)의 제3통로(73)로부터 응축기(363)의 제1통로(363a)로 수용되고, 제2냉매가 응축기(363)의 제2통로(363b)를 통과함으로써 제2냉매는 응축기(363)에서 배터리 냉각수에 의해 냉각되고 응축될 수 있다.
도 23은 공조 서브시스템(11)이 냉방모드로 작동할 때, 공조 서브시스템(11)이 냉방모드로 작동할 때, 배터리팩(32)이 제2냉동사이클(14), 배터리 냉각서브시스템(12), 및 파워트레인 냉각서브시스템(13)에 의해 냉각되며, 배터리팩(32)의 냉각이 공조 서브시스템(11)에 대해 독립적으로 냉각되는 것을 도시한 도면이다.
도 23을 참조하면, 제3포트(48c)가 폐쇄되도록 파워트레인 냉각서브시스템(13)의 쓰리웨이밸브(48)가 스위칭하고, 이에 파워트레인 냉각수는 파워트레인 냉각수루프(41)를 순환한다. 제3포트(74c)가 폐쇄되도록 공조 서브시스템(11)의 쓰리웨이밸브(74)가 스위칭하고, 난방측 팽창밸브(54)의 개도가 100%로 완전히 개방됨으로써 제1냉매는 난방측 팽창밸브(54)에 의해 팽창하지 않는다. 제1칠러측 팽창밸브(53)가 폐쇄되고, 이에 제1냉매가 냉매칠러(52)의 제1통로(52a)를 통과하지 않으므로 제2냉매는 냉매칠러(52)에서 제1냉매와 열교환하지 않는다. 제2포트(39b)가 폐쇄되고 제3포트(39c)가 제1포트(39a)와 소통하도록 배터리 냉각서브시스템(12)의 쓰리웨이밸브(39)가 스위칭하고(즉, 쓰리웨이밸브(39)가 제1배터리 바이패스도관(37)의 입구를 개방하도록 스위칭함), 일부의 배터리 냉각수는 제1배터리 바이패스도관(37)을 통해 흐름으로써 제2배터리펌프(35), 배터리 라디에이터(36), 및 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72)를 우회하고 제1배터리펌프(34)에 의해 배터리팩(32), 배터리칠러(33)의 제1통로(33a) 순으로 통과할 수 있다. 나머지의 배터리 냉각수는 제2배터리 바이패스도관(38)을 통해 흐름으로써 제1배터리펌프(34), 배터리팩(32), 및 배터리칠러(33)의 제1통로(33a)를 우회하고 제2배터리펌프(35)에 의해 배터리 라디에이터(36), 및 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72) 순으로 통과할 수 있다. 응축기(363)는 수냉식 열교환기(70)의 제3통로(73)로부터 수용된 파워트레인 냉각수에 의해 제2압축기(62)로부터 수용된 제2냉매를 냉각하고 응축할 수 있다. 응축기(363)에 의해 냉각되고 응축된 제2냉매는 제2칠러측 팽창밸브(65)에 의해 팽창되고, 팽창된 제2냉매는 배터리칠러(33)의 제2통로(33b)를 통과함으로써 배터리칠러(33) 내에서 제2냉매가 배터리 냉각수를 냉각하며, 냉각된 배터리 냉각수는 배터리팩(32)을 냉각할 수 있다.
도 24는 공조 서브시스템(11)이 냉방모드로 작동할 때, 배터리팩(32)이 공조 서브시스템(11)의 제1냉동사이클(21), 제2냉동사이클(14), 배터리 냉각서브시스템(12), 및 파워트레인 냉각서브시스템(13)에 의해 냉각되는 것을 도시한 도면이다.
도 24를 참조하면, 제2포트(39b)가 폐쇄되고 제3포트(39c)가 제1포트(39a)와 소통하도록 배터리 냉각서브시스템(12)의 쓰리웨이밸브(39)가 스위칭하고(즉, 쓰리웨이밸브(39)가 제1배터리 바이패스도관(37)의 입구를 개방하도록 스위칭함), 일부의 배터리 냉각수는 제1배터리 바이패스도관(37)을 통해 흐름으로써 제2배터리펌프(35), 배터리 라디에이터(36), 및 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72)를 우회하고 제1배터리펌프(34)에 의해 배터리팩(32), 배터리칠러(33)의 제1통로(33a) 순으로 통과할 수 있다. 나머지의 배터리 냉각수는 제2배터리 바이패스도관(38)을 통해 흐름으로써 제1배터리펌프(34), 배터리팩(32), 및 배터리칠러(33)의 제1통로(33a)를 우회하고 제2배터리펌프(35)에 의해 배터리 라디에이터(36), 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72) 순으로 통과할 수 있다. 제3포트(48c)가 폐쇄되도록 파워트레인 냉각서브시스템(13)의 쓰리웨이밸브(48)가 스위칭하고, 이에 파워트레인 냉각수는 파워트레인 냉각수루프(41)를 순환한다. 응축기(363)는 수냉식 열교환기(70)의 제3통로(73)로부터 수용된 파워트레인 냉각수에 의해 제2압축기(62)로부터 수용된 제2냉매를 냉각하고 응축할 수 있다. 제3포트(74c)가 폐쇄되도록 공조 서브시스템(11)의 쓰리웨이밸브(74)가 스위칭하고, 난방측 팽창밸브(54)의 개도가 100%로 완전히 개방됨으로써 제1냉매는 난방측 팽창밸브(54)에 의해 팽창하지 않는다. 제1칠러측 팽창밸브(53)가 일정 개도로 개방되고, 이에 제1냉매는 냉매칠러(52)의 제1통로(52a)를 통과함으로써 제2냉매는 냉매칠러(52)에서 제1냉매와 열교환할 수 있다. 냉매칠러(52)의 제2통로(52b)를 통과하는 제2냉매의 온도가 냉매칠러(52)의 제1통로(52a)를 통과하는 제1냉매의 온도 보다 상대적으로 높으므로 열이 제2냉매로부터 제1냉매로 전달되고, 이에 냉매칠러(52)의 제2통로(52b)를 통과하는 제2냉매는 냉각되고 응축되며, 냉매칠러(52)의 제1통로(52a)를 통과하는 제1냉매는 증발(기화)된다. 냉매칠러(52)에 의해 냉각되고 응축된 제2냉매는 제2칠러측 팽창밸브(65)에 의해 팽창되고, 팽창된 제2냉매는 배터리칠러(33)의 제2통로(33b)를 통과함으로써 배터리칠러(33)에서 제2냉매가 배터리 냉각수를 냉각하며, 냉각된 배터리 냉각수는 배터리팩(32)을 냉각할 수 있다.
도 24 및 도 30를 참조하면, 공조 서브시스템(11)의 제1냉동사이클(21) 상에서 제1냉매는 제1압축기(23)에 의해 압축되고, 압축된 제1냉매는 수냉식 열교환기(70)에 의해 1차적으로 응축되고 외측 열교환기(25)에 의해 2차적으로 응축되며, 응축된 제1냉매는 냉방측 팽창밸브(26) 내에서 팽창되고, 팽창된 제1냉매는 증발기(27)에 의해 기화될 수 있다. 제2냉동사이클(14) 상에서 제2냉매는 제2압축기(62)에 의해 압축되고, 압축된 제2냉매는 응축기(363)에 의해 1차적으로 응축되고 냉매칠러(52)에 의해 2차적으로 응축되며, 응축된 제2냉매는 제2칠러측 팽창밸브(65)에 의해 팽창되고, 팽창된 제2냉매는 배터리칠러(33)에 의해 기화될 수 있다. 이에 의해, 제1냉매가 냉매칠러(52)를 통해 제2냉매를 냉각하고, 냉각된 제2냉매가 배터리칠러(33)를 통해 배터리 냉각수를 냉각하며, 냉각된 배터리 냉각수가 배터리팩(32)을 냉각함으로써 배터리 냉각수 및 배터리팩(32)의 냉각성능이 대폭 향상될 수 있다.
도 25는 공조 서브시스템(11)의 제1압축기(23)가 작동하지 않을 때, 배터리팩(32)이 배터리 냉각서브시스템(12), 제2냉동사이클(14), 및 파워트레인 냉각서브시스템(13)에 의해 냉각되는 것을 도시한 도면이다.
도 25를 참조하면, 제2포트(39b)가 폐쇄되고 제3포트(39c)가 제1포트(39a)와 소통하도록 배터리 냉각서브시스템(12)의 쓰리웨이밸브(39)가 스위칭하고(즉, 쓰리웨이밸브(39)가 제1배터리 바이패스도관(37)의 입구를 개방하도록 스위칭함), 제1배터리펌프(34)가 작동하고, 제2배터리펌프(35)가 정지함으로써 배터리 냉각수는 제1배터리 바이패스도관(37)을 통해 흐름으로써 제2배터리펌프(35), 배터리 라디에이터(36), 및 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72)를 우회하고 제1배터리펌프(34)에 의해 배터리팩(32) 및 배터리칠러(33) 순으로 통과할 수 있다. 제3포트(48c)가 폐쇄되도록 파워트레인 냉각서브시스템(13)의 쓰리웨이밸브(48)가 스위칭하고, 이에 파워트레인 냉각수는 파워트레인펌프(45)에 의해 파워트레인 냉각수루프(41)를 순환한다. 응축기(363)는 수냉식 열교환기(70)의 제3통로(73)로부터 수용된 파워트레인 냉각수에 의해 제2압축기(62)로부터 수용된 제2냉매를 냉각하고 응축할 수 있다. 공조 서브시스템(11)의 제1압축기(23)가 정지됨으로써 제1냉매가 제1냉동사이클(21)의 제1냉매루프(22)를 순환하지 않는다. 제2냉동사이클(14)의 제2압축기(62)가 작동함으로써 제2냉매는 배터리칠러(33)에서 배터리 냉각수를 냉각할 수 있고, 냉각된 배터리 냉각수가 배터리팩(32)을 냉각할 수 있다.
도 26은 공조 서브시스템(11)이 냉방모드 및 난방모드로 작동하지 않을 때, 배터리팩(32)이 공조 서브시스템(11)의 제1냉동사이클(21), 제2냉동사이클(14), 배터리 냉각서브시스템(12), 및 파워트레인 냉각서브시스템(13)에 의해 냉각되는 것을 도시한 도면이다.
도 26을 참조하면, 냉방측 팽창밸브(26)의 개폐밸브(26a)가 폐쇄됨으로써 제1냉매는 증발기(27)로 흘러들어가지 않고, 분기도관(51)을 통해 제1칠러측 팽창밸브(53) 및 냉매칠러(52)만으로 흘러들어갈 수 있다. 제2포트(39b)가 폐쇄되고 제3포트(39c)가 제1포트(39a)와 소통하도록 배터리 냉각서브시스템(12)의 쓰리웨이밸브(39)가 스위칭하고(즉, 쓰리웨이밸브(39)가 제1배터리 바이패스도관(37)의 입구를 개방하도록 스위칭함), 일부의 배터리 냉각수는 제1배터리 바이패스도관(37)을 통해 흐름으로써 제2배터리펌프(35), 배터리 라디에이터(36), 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72)를 우회하고 제1배터리펌프(34)에 의해 배터리팩(32) 및 배터리칠러(33) 순으로 통과할 수 있다. 나머지의 배터리 냉각수는 제2배터리 바이패스도관(38)을 통해 흐름으로써 제1배터리펌프(34), 배터리팩(32), 및 배터리칠러(33)를 우회하고 제2배터리펌프(35)에 의해 배터리 라디에이터(36) 및 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72) 순으로 통과할 수 있다. 응축기(363)는 수냉식 열교환기(70)의 제3통로(73)로부터 수용된 파워트레인 냉각수에 의해 제2냉매를 냉각하고 응축할 수 있다. 제1칠러측 팽창밸브(53)가 일정 개도로 개방되고, 이에 제1냉매는 냉매칠러(52)의 제1통로(52a)를 통과함으로써 제2냉매는 냉매칠러(52)에서 제1냉매와 열교환할 수 있다. 냉매칠러(52)의 제2통로(52b)를 통과하는 제2냉매의 온도가 냉매칠러(52)의 제1통로(52a)를 통과하는 제1냉매의 온도 보다 상대적으로 높으므로 열이 제2냉매로부터 제1냉매로 전달되고, 이에 냉매칠러(52)의 제2통로(52b)를 통과하는 제2냉매는 냉각되고 응축되며, 냉매칠러(52)의 제1통로(52a)를 통과하는 제1냉매는 증발(기화)된다. 냉매칠러(52)에 의해 냉각되고 응축된 제2냉매는 배터리칠러(33)에서 배터리 냉각수를 냉각하고, 냉각된 배터리 냉각수는 배터리팩(32)을 냉각할 수 있다.
도 27은 공조 서브시스템(11)이 난방모드로 작동할 때, 배터리팩(32)이 냉각되지 않는 것을 도시한 도면이다.
도 27을 참조하면, 제3포트(74c)가 개방되도록 공조 서브시스템(11)의 쓰리웨이밸브(74)가 스위칭하고, 난방측 팽창밸브(54)는 일정한 개도로 조절된다. 공조 서브시스템(11)의 제1냉동사이클(21) 상에서 제1냉매는 제1압축기(23)에 의해 압축되고, 압축된 제1냉매는 내측 응축기(24)를 통해 응축되며, 내측 응축기(24)를 통과하는 공기는 가열됨으로써 승객실에 대한 난방이 실행된다. 난방측 팽창밸브(54)의 개도가 조절됨으로써 제1냉매는 난방측 팽창밸브(54)에 의해 팽창되고, 팽창된 제1냉매는 수냉식 열교환기(70)에 의해 기화되며, 기화된 제1냉매는 어큐뮬레이터(23a)를 거쳐 제1압축기(23)로 흘러들어간다. 제1포트(39a), 제2포트(39b), 및 제3포트(39c)가 모두 폐쇄되도록 배터리 냉각서브시스템(12)의 쓰리웨이밸브(39)가 스위칭하고, 제1배터리펌프(34)가 정지하며, 제2배터리펌프(35)가 작동함으로써 배터리 냉각수는 제2배터리 바이패스도관(38)을 통해 흐름으로써 제1배터리펌프(34), 배터리팩(32), 및 배터리칠러(33)를 우회하고 제2배터리펌프(35)에 의해 배터리 라디에이터(36) 및 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72)를 통과할 수 있다. 파워트레인 냉각서브시스템(13)의 파워트레인펌프(45)가 작동함으로써 파워트레인 냉각수는 파워트레인 냉각수루프(31)를 순환할 수 있다. 제2압축기(62)가 정지함으로써 제2냉매는 제2냉동사이클(14)의 제2냉매루프(61)를 순환하지 않는다.
도 28은 공조 서브시스템(11)이 난방모드로 작동할 때, 배터리팩(32)이 배터리 냉각서브시스템(12), 제2냉동사이클(14), 및 파워트레인 냉각서브시스템(13)에 의해 냉각되는 것을 도시한 도면이다.
도 28을 참조하면, 제3포트(74c)가 개방되도록 공조 서브시스템(11)의 쓰리웨이밸브(74)가 스위칭하고, 난방측 팽창밸브(54)는 일정한 개도로 조절된다. 공조 서브시스템(11)의 제1냉동사이클(21) 상에서 제1냉매는 제1압축기(23)에 의해 압축되고, 압축된 제1냉매는 내측 응축기(24)를 통해 응축되며, 내측 응축기(24)를 통과하는 공기는 가열됨으로써 승객실에 대한 난방이 실행된다. 난방측 팽창밸브(54)의 개도가 조절됨으로써 제1냉매는 난방측 팽창밸브(54)에 의해 팽창되고, 팽창된 제1냉매는 수냉식 열교환기(70)에 의해 기화되며, 기화된 제1냉매는 어큐뮬레이터(23a)를 거쳐 제1압축기(23)로 흘러들어간다. 제2포트(39b)가 폐쇄되고 제3포트(39c)가 제1포트(39a)와 소통하도록 배터리 냉각서브시스템(12)의 쓰리웨이밸브(39)가 스위칭하고(즉, 쓰리웨이밸브(39)가 제1배터리 바이패스도관(37)의 입구를 개방하도록 스위칭함), 일부의 배터리 냉각수는 제1배터리 바이패스도관(37)을 통해 흐름으로써 제2배터리펌프(35), 배터리 라디에이터(36), 및 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72)를 우회하고 제1배터리펌프(34)에 의해 배터리팩(32) 및 배터리칠러(33) 순으로 통과할 수 있다. 나머지의 배터리 냉각수는 제2배터리 바이패스도관(38)을 통해 흐름으로써 제1배터리펌프(34), 배터리팩(32), 및 배터리칠러(33)를 우회하고 제2배터리펌프(35)에 의해 배터리 라디에이터(36) 및 수냉식 열교환기(70)의 제2통로(72) 순으로 통과할 수 있다. 파워트레인 냉각서브시스템(13)의 파워트레인펌프(45)가 작동함으로써 파워트레인 냉각수는 파워트레인 냉각수루프(31)를 순환할 수 있다. 응축기(363)는 수냉식 열교환기(70)의 제3통로(73)로부투 수용된 파워트레인 냉각수에 의해 제2냉매를 냉각하고 응축할 수 있다. 제2냉매는 배터리칠러(33)에서 제1배터리 바이패스도관(37)을 통과하는 배터리 냉각수에 의해 기화될 수 있고, 배터리 냉각수는 배터리칠러(33)에서 제2냉매에 의해 냉각될 수 있으며, 냉각된 배터리 냉각수는 배터리팩(32)을 냉각할 수 있다.
상술한 바와 같이, 공조 서브시스템(11)이 난방모드로 작동할 때, 수냉식 열교환기(70)는 제1냉매를 기화시키는 증발기의 기능을 할 수 있다. 이에, 파워트레인 컴포넌트(42)가 응축기(263)의 제1통로(263a)의 상류에 위치하고 응축기(263)가 수냉식 열교환기(70)의 제3통로(73)의 상류에 위치함으로써 응축기(263)에서 승온된 파워트레인 냉각수는 수냉식 열교환기(70)에서 제1냉매를 기화시키기 위한 열원으로 제공될 수 있다.
도 29를 참조하면, 제1냉동사이클(21)은 제1냉매가 순환하는 제1냉매루프(22) 상에 배치된 제1압축기(23), 내측 응축기(24, interior condenser), 수냉식 열교환기(70), 외측 열교환기(25, exterior condenser), 냉방측 팽창밸브(26), 증발기(27)를 포함할 수 있다. 내측 응축기(24)는 제1압축기(23)의 하류에 위치하고, 수냉식 열교환기(70)는 내측 응축기(24)의 하류에 위치하며, 외측 열교환기(25)는 수냉식 열교환기(70)의 하류에 위치하고, 냉방측 팽창밸브(26)는 외측 열교환기(25)의 하류에 위치하며, 증발기(27)는 냉방측 팽창밸브(26)의 하류에 위치할 수 있다.
제2냉동사이클(14)은 제2냉매가 순환하는 제2냉매루프(61) 상에 배치된 제2압축기(62), 응축기(63, 163, 263, 363), 냉매칠러(52), 제2칠러측 팽창밸브(65), 배터리칠러(33)를 포함할 수 있다. 응축기(63)는 제2압축기(62)의 하류에 위치하고, 냉매칠러(52)는 응축기(63)의 하류에 위치하며, 제2칠러측 팽창밸브(65)는 냉매칠러(52)의 하류에 위치하고, 배터리칠러(33)는 제2칠러측 팽창밸브(65)의 하류에 위치할 수 있다.
냉매칠러(52)는 제1냉매루프(22)의 분기도관(51)에 배치될 수 있고, 제1냉동사이클(21)은 분기도관(51) 및 냉매칠러(52)를 통해 제2냉동사이클(14)에 대해 열적으로 연결될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
11: 공조 서브시스템 12: 배터리 냉각서브시스템
13: 파워트레인 냉각서브시스템 14: 제2냉동사이클
21: 제1냉동사이클 22: 제1냉매루프
23: 제1압축기 24: 내측 응축기
25: 외측 열교환기 26: 냉방측 팽창밸브
27: 증발기 28: 공조덕트
31: 배터리 냉각수루프 32: 배터리팩
33: 배터리칠러 34: 제1배터리펌프
35: 제2배터리펌프 36: 배터리 라디에이터
37: 제1배터리 바이패스도관 38: 제2배터리 바이패스도관
39: 쓰리웨이밸브 41: 파워트레인 냉각수루프
42: 파워트레인 컴포넌트 44: 파워트레인 라디에이터
47: 파워트레인 바이패스도관 48: 쓰리웨이밸브
46: 냉각팬 52: 냉매칠러
53: 제1칠러측 팽창밸브 54: 난방측 팽창밸브
61: 제2냉매루프 62: 제2압축기
63, 163, 263, 363: 응축기 70: 수냉식 열교환기
71: 제1통로 72: 제2통로
73: 제3통로 74: 쓰리웨이밸브
75: 바이패스도관 76a: 배터리 리저버
76b: 파워트레인 리저버

Claims (20)

  1. 제1압축기 및 상기 제1압축기에 유체적으로 연결된 제1냉매루프를 가진 제1냉동사이클을 포함한 공조 서브시스템;
    배터리팩에 유체적으로 연결된 배터리 냉각수루프를 포함한 배터리 냉각서브시스템;
    파워트레인 컴포넌트에 유체적으로 연결된 파워트레인 냉각수루프를 포함한 파워트레인 냉각서브시스템;
    제2압축기와, 상기 제2압축기의 하류지점에 위치한 응측기와, 상기 응축기에 유체적으로 연결된 제2냉매루프를 가진 제2냉동사이클;
    상기 제1냉동사이클 및 상기 제2냉동사이클 사이에서 열을 전달하도록 구성된 냉매칠러; 및
    상기 제2냉동사이클 및 상기 배터리 냉각수루프 사이에서 열을 전달하도록 구성된 배터리칠러;를 포함하고,
    상기 제2냉동사이클의 응축기는 상기 배터리 냉각수루프 및 상기 파워트레인 냉각수루프 중에서 적어도 하나에 열적으로 연결된 차량용 열관리시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1냉동사이클은, 상기 제1압축기의 하류에 위치한 내측 응축기와, 상기 내측 응축기의 하류에 위치한 외측 열교환기와, 상기 외측 열교환기의 하류에 위치한 냉방측 팽창밸브와, 상기 냉방측 팽창밸브의 하류에 위치한 증발기를 포함하고,
    상기 냉매칠러 및 상기 증발기는 상기 외측 열교환기 및 상기 제1압축기 사이에서 병렬로 연결된 차량용 열관리시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1냉동사이클은 상기 제1냉매루프로부터 분기된 분기도관을 더 포함하고,
    상기 냉매칠러는 상기 분기도관 및 상기 제2냉매루프 사이에서 열을 전달하도록 구성된 차량용 열관리시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 냉매칠러는 상기 분기도관에 유체적으로 연결된 제1통로와, 상기 제2냉매루프에 유체적으로 연결된 제2통로를 포함한 차량용 열관리시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1냉동사이클은 상기 냉매칠러의 제2통로의 상류에 위치한 제1칠러측 팽창밸브를 포함한 차량용 열관리시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 공조 서브시스템의 제1냉매루프와, 상기 배터리 냉각서브시스템의 배터리 냉각수루프와, 상기 파워트레인 냉각서브시스템의 파워트레인 냉각수루프 사이에서 열을 전달하도록 구성된 수냉식 열교환기를 더 포함한 차량용 열관리시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 수냉식 열교환기는 상기 제1냉매루프와 유체적으로 연결된 제1통로와, 상기 배터리 냉각수루프와 유체적으로 연결된 제2통로와, 상기 파워트레인 냉각수루프와 유체적으로 연결된 제3통로를 포함하며,
    상기 제1냉동사이클은 상기 수냉식 열교환기의 제1통로의 상류 측에 위치한 난방측 팽창밸브를 포함한 차량용 열관리시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리칠러는 상기 배터리 냉각수루프에 유체적으로 연결된 제1통로와, 상기 제2냉매루프에 유체적으로 연결된 제2통로를 포함한 차량용 열관리시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제2냉동사이클은 상기 배터리칠러의 제2통로의 상류 측에 위치한 제2칠러측 팽창밸브를 포함하는 차량용 열관리시스템.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 응축기는 상기 배터리 냉각수루프에 유체적으로 연결된 제1통로와, 상기 제2냉매루프에 유체적으로 연결된 제2통로를 포함하는 차량용 열관리시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 응축기의 제1통로는 상기 배터리 냉각수루프 상에서 상기 수냉식 열교환기의 제2통로의 상류에 위치한 차량용 열관리시스템.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 배터리 냉각서브시스템은, 상기 배터리팩의 하류에 위치한 배터리칠러와, 상기 배터리칠러의 하류에 위치한 배터리 라디에이터와, 배터리 냉각수가 상기 배터리 라디에이터를 우회함을 허용하는 제1배터리 바이패스도관과, 배터리 냉각수가 상기 배터리팩 및 상기 배터리칠러를 우회함을 허용하는 제2배터리 바이패스도관과, 배터리 냉각수의 흐름방향을 조절하는 쓰리웨이밸브를 포함하는 차량용 열관리시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 응축기의 제1통로는 상기 제2배터리 바이패스도관에 유체적으로 연결된 차량용 열관리시스템.
  14. 청구항 10에 있어서,
    상기 응축기의 제1통로는 상기 배터리 냉각수루프 상에서 상기 수냉식 열교환기의 제2통로의 하류에 위치한 차량용 열관리시스템.
  15. 청구항 12에 있어서,
    상기 응축기의 제1통로는 상기 배터리 냉각수루프 상에서 상기 배터리 라디에이터 및 상기 수냉식 열교환기의 제2통로 사이에 위치한 차량용 열관리시스템.
  16. 청구항 7에 있어서,
    상기 응축기는 상기 파워트레인 냉각수루프에 유체적으로 연결된 제1통로와, 상기 제2냉매루프에 유체적으로 연결된 제2통로를 포함하는 차량용 열관리시스템.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 응축기의 제1통로는 상기 파워트레인 냉각수루프 상에서 상기 수냉식 열교환기의 제3통로의 상류에 위치한 차량용 열관리시스템.
  18. 청구항 16에 있어서,
    상기 응축기의 제1통로는 상기 파워트레인 냉각수루프 상에서 상기 파워트레인 컴포넌트 및 상기 수냉식 열교환기의 제3통로 사이에 위치한 차량용 열관리시스템.
  19. 청구항 16에 있어서,
    상기 응축기의 제1통로는 상기 파워트레인 냉각수루프 상에서 상기 수냉식 열교환기의 제3통로의 하류에 위치한 차량용 열관리시스템.
  20. 청구항 16에 있어서,
    상기 응축기의 제1통로는 상기 파워트레인 냉각수루프 상에서 상기 파워트레인 라디에이터 및 상기 수냉식 열교환기의 제3통로 사이에 위치한 차량용 열관리시스템.

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