KR20230131392A - 전기자동차의 냉각 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기자동차의 냉각 시스템에 관한 것으로서, 냉각수 통수 저항 및 유동 저항을 줄일 수 있고, 전체 냉각수 유량 증대 및 냉각 성능 향상이 가능해지는 전기자동차의 냉각 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 냉각수가 순환하는 냉각수 라인이, 라디에이터가 설치된 메인 냉각수 라인, 및 상기 메인 냉각수 라인에 병렬로 분기되어 연결된 제1 분기 냉각수 라인과 제2 분기 냉각수 라인을 포함하고, 상기 제1 분기 냉각수 라인과 제2 분기 냉각수 라인에 각각 냉각수가 통과하도록 냉각 대상 부품이 설치되며, 전동식 워터펌프는, 상기 메인 냉각수 라인에 설치되고 제어기에 의해 구동이 제어되는 제1 펌프, 및 상기 제1 분기 냉각수 라인과 제2 분기 냉각수 라인 중 하나에 설치되고 제어기에 의해 구동이 제어되는 제2 펌프를 포함하는 전기자동차의 냉각 시스템이 개시된다.

Description

전기자동차의 냉각 시스템{Cooling system for electric vehicle and control method thereof}

본 발명은 전기자동차의 냉각 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 냉각수 통수 저항 및 유동 저항을 줄일 수 있고, 전체 냉각수 유량 증대 및 냉각 성능 향상이 가능해지는 전기자동차의 냉각 시스템에 관한 것이다.

오늘날 에너지 효율과 환경오염, 화석연료 고갈 등 문제에 대한 관심이 증가하면서 내연기관 자동차를 실질적으로 대체할 수 있는 친환경 자동차의 개발이 활발히 이루어지고 있다.

친환경 자동차로는, 배터리를 동력원(전력원)으로 이용하는 배터리 전기자동차(Battery Electric Vehicle, BEV), 연료전지를 주 동력원으로 이용하는 연료전지 자동차(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV), 차량을 구동하기 위한 구동장치로 엔진과 모터를 함께 이용하는 하이브리드 자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 등을 들 수 있다.

이러한 친환경 자동차는 넓은 의미의 전기자동차(xEV)라 할 수 있고, 모두 배터리에 충전된 전력으로 모터를 구동하여 주행하는 모터 구동 차량 및 전동화 차량(electrified vehicle)이라는 공통점을 가진다.

전기자동차에는 모터에 전력을 공급하는 고전압 배터리가 장착되고, 고전압 배터리는 차량 운행 동안 충전과 방전을 반복하면서 모터 등 차량 내 전력전자(Power Electric, PE) 부품에 전력을 공급한다.

최근에는 전륜과 후륜에 각각 독립적인 구동장치를 적용한 4륜 구동(Four Wheel Drive, 4WD 또는 All Wheel Drive, AWD) 전기자동차가 개발되고 있고, 4륜 구동 전기자동차에서 전륜과 후륜의 구동장치는 운전 환경의 조건에 따라 독립적으로 구동되거나 함께 구동될 수 있다. 4륜 구동 전기자동차에서 전륜 구동장치와 후륜 구동장치는 모두 배터리 전력으로 작동하는 모터일 수 있다.

특히, 고성능 스포츠카와 같은 주행 상품성과 동력 성능을 가지는 고성능 전기자동차를 개발함에 있어 전륜 구동장치와 후륜 구동장치가 모두 모터인 e-4WD 시스템의 탑재가 고려되고 있다.

e-4WD 차량에서는 전륜을 구동하기 위한 전륜 구동모터와 후륜을 구동하기 위한 후륜 구동모터가 탑재되고, 구동륜이 되는 전륜과 후륜에 각 구동모터가 동력 전달 가능하게 연결된다. 이와 더불어 e-4WD 차량에서는 전륜 구동모터를 구동 및 제어하기 위한 전륜 인버터와, 후륜 구동모터를 구동 및 제어하기 위한 후륜 인버터가 탑재된다.

고성능 전기자동차에서 주행 상품성과 동력 성능을 만족시키기 위한 주요 과제는, 고부하 시 모터 및 인버터, 배터리 등 전력전자(PE) 부품이나 장치를 냉각하여 이들의 출력 제한이 발생하지 않도록 하는 것과, 4륜 구동(4WD 또는 AWD)이 가능하도록 하는 것이다.

이를 위해 전기자동차에는 차량 전반의 열관리를 수행하기 위한 열관리 시스템이 탑재된다. 열관리 시스템은 전력계통의 열관리와 냉각을 위해 냉각수나 냉매를 이용하는 냉각 시스템을 포함한다.

일반적으로 전기자동차의 냉각 시스템은 냉각수를 순환시켜 모터 및 인버터, 배터리 등의 전력전자 부품이나 장치를 냉각 또는 가열함으로써 전력계통의 열을 전반적으로 관리할 수 있는 구성들을 포함한다.

상세하게는, 전기자동차의 냉각 시스템은, 냉각수가 저장되는 리저버 탱크, 냉각수를 순환시키는 전동식 워터펌프, 냉각수 방열을 위한 라디에이터 및 쿨링팬, 냉각수 유동을 제어하기 위한 밸브들, 그리고 이들 부품 사이를 연결하는 냉각수 라인, 그리고 차량의 열관리 제어를 담당하는 제어기를 포함하여 구성된다.

전기자동차에서 차량 및 부품의 열관리는 매우 중요한 부분이며, 모터와 인버터 등에서 발생하는 열을 적절히 제거하지 않으면 부품이 최적 성능을 발휘할 수 없다.

도 1과 도 2는 종래의 냉각 시스템을 나타내는 냉각 회로도로서, 냉각 유체의 순환 경로를 보여주고 있다. 도 1 및 도 2에서 '전륜 모터'는 전륜을 구동하기 위해 전륜에 동력 전달 가능하게 연결된 전륜 구동모터이고, '후륜 모터'는 후륜을 구동하기 위해 후륜에 동력 전달 가능하게 연결된 후륜 구동모터이다. 또한 '전륜 인버터'는 전륜 모터를 구동 및 제어하기 위한 인버터이고, '후륜 인버터'는 후륜 모터를 구동 및 제어하기 위한 인버터이다.

도시된 냉각 시스템에서 냉각 대상 부품은 전륜 인버터(2), 후륜 인버터(3), 후륜 모터(4), 전륜 모터(5)이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 냉각수가 통과하는 냉각 대상 부품(2-5)과 라디에이터(6), 그리고 냉각수 순환을 위해 냉각수를 압송하는 전동식 워터펌프(1)가 냉각수 라인(7)을 따라 직렬로 배치되고 있다.

도 2의 냉각 시스템은 모터(4,5)의 경우 오일을 이용하여 냉각하는 유냉 방식이 적용된 것으로, 냉각 유체가 오일인 경우에도 모터(4,5)의 열이 오일에 전달된 후 다시 냉각수로 전달되도록 하고 있으며, 궁극적으로 모터(4,5)에서 발생한 열이 냉각수를 통해 라디에이터(6)에서 공기 중으로 방출되도록 하고 있다.

도 2의 냉각 시스템에서는 두 냉각 유체, 즉 모터(4,5)를 냉각한 오일과 냉각수 라인(7)을 순환하는 냉각수 간 열교환이 이루어지는 열교환기, 즉 열교환을 통해 오일을 냉각하는 오일쿨러(8,9)가 사용되고 있다. 오일쿨러(8,9)에서는 냉각수에 의한 오일 냉각이 이루어지며, 모터(4,5)를 냉각한 오일로부터 냉각수로 열이 전달된다.

도 2에서 '전륜 오일쿨러'는 전륜 모터(5)를 냉각한 오일과 냉각수 라인(7)을 따라 순환하는 냉각수 사이의 열교환이 이루어지는 오일쿨러이고, '후륜 오일쿨러'는 후륜 모터(4)를 냉각한 오일과 냉각수 라인(7)을 따라 순환하는 냉각수 사이의 열교환이 이루어지는 오일쿨러이다.

라디에이터(6)는 전술한 바와 같이 냉각수의 방열이 이루어지는 열교환기로서, 라디에이터(6)에서는 내부를 통과하는 냉각수와 주위를 통과하는 공기 간 열교환이 수행된다. 이와 같이 인버터(2,3)와 모터(4,5)에서 발생한 열이 냉각수를 통해 라디에이터(6)에서 공기 중으로 방출됨으로써 모터와 인버터의 냉각이 이루어질 수 있게 된다.

전술한 바와 같이, 도 1 및 도 2의 냉각 시스템에서는 하나의 냉각수 라인(7)을 따라 냉각 대상 부품(2-5,8,9)들이 직렬로 배치되고 있으며, 냉각수 라인을 따라 흐르는 냉각수가 이들 부품을 차례로 통과해야 하므로 냉각수 유동 저항이 클수밖에 없다.

따라서, 냉각수 유량을 증대하는데 어려움이 있고, 그로 인해 라디에이터 통과 유량이 적어져 냉각 성능이 불리해지는 단점이 있다. 특히, 고성능 전기자동차에서 발열량을 감당할 수 있는 냉각수 유량의 증대가 어려워 충분한 냉각 성능을 제공하지 못하고 있다.

또한, 종래의 냉각 시스템에서는 전륜 인버터(2)와 후륜 인버터(3), 그리고 전륜 모터(4)(또는 전륜 오일쿨러)와 후륜 모터(5)(또는 후륜 오일쿨러)가 하나의 냉각수 라인(7)에 설치되므로, 냉각수 라인을 따라 흐르는 동일 유량의 냉각수가 냉각 대상 부품들을 통과하게 되며, 이에 냉각 대상 부품별로 냉각수 유량을 제어하는 것이 불가하고, 냉각 대상 부품의 선택적인 냉각이 불가하다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 부품 냉각을 위한 냉각수의 통수 저항 및 유동 저항을 줄일 수 있고, 전체 냉각수 유량 증대 및 냉각 성능 향상이 가능해지는 전기자동차의 냉각 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 냉각수가 냉각 대상 부품을 선택적으로 흐르도록 하는 것이 가능하고, 냉각수 유량 제어가 가능해지는 냉각 시스템을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(이하 '통상의 기술자')에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따르면, 냉각수 순환을 위한 전동식 워터펌프, 냉각수 방열을 위한 라디에이터, 및 상기 전동식 워터펌프와 냉각 대상 부품, 상기 라디에이터 사이에 냉각수가 순환하도록 연결된 냉각수 라인을 포함하는 전기자동차의 냉각 시스템이 있어서, 상기 냉각수 라인은, 상기 라디에이터가 설치된 메인 냉각수 라인, 상기 메인 냉각수 라인에 병렬로 분기되도록 연결된 제1 분기 냉각수 라인과 제2 분기 냉각수 라인을 포함하고, 상기 제1 분기 냉각수 라인과 제2 분기 냉각수 라인에 각각 냉각수가 통과하도록 냉각 대상 부품이 설치되며, 상기 전동식 워터펌프는, 상기 메인 냉각수 라인에 설치되고 제어기에 의해 구동이 제어되는 제1 펌프, 및 상기 제1 분기 냉각수 라인과 제2 분기 냉각수 라인 중 정해진 하나에 설치되고 상기 제어기에 의해 구동이 제어되는 제2 펌프를 포함하는 전기자동차의 냉각 시스템을 제공한다.

이로써, 본 발명에 따른 냉각 시스템에 의하면, 냉각수 라인을 분기하여 냉각 대상 부품을 분기된 냉각수 라인을 따라 병렬로 배치하고, 메인 냉각수 라인(전체 유량의 냉각수가 흐르는 냉각수 라인)에 제1 펌프를, 상기 메인 냉각수 라인으로부터 분기된 분기 냉각수 라인 중 하나에 제2 펌프를 설치하여 제1 펌프 및 제2 펌프의 회전수를 제어함으로써, 냉각 대상 부품의 발열 상태에 따라 냉각수 유량을 제어할 수 있고, 병렬 배치를 통해 냉각 대상 부품을 통과하는 냉각수의 통수 저항 및 유동 저항을 줄일 수 있게 된다.

또한, 메인 냉각수 라인 및 라디에이터를 통과하는 전체 냉각수 유량과 더불어 분기 냉각수 라인으로 흐르는 냉각수의 유량 증대가 가능해지고, 이를 통해 냉각 성능 향상을 달성할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 의하면, 제1 펌프 및 제2 펌프의 제어를 통해 냉각수가 분기 냉각수 라인에 설치된 냉각 대상 부품을 선택적으로 흐르도록 하는 것이 가능하고, 냉각 대상 부품의 선택적 냉각이 가능해지게 된다.

도 1과 도 2는 종래의 냉각 시스템을 나타내는 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차의 냉각 시스템을 나타내는 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에서 제어를 위한 주요 구성을 나타내는 블록도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기자동차의 냉각 시스템을 나타내는 회로도이다.
도 6 내지 도 8은 각각 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기자동차의 냉각 시스템을 나타내는 회로도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 냉각 시스템의 제어 과정을 나타내는 순서도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한, 본 명세서에 설명된 실시예들에 의해 발명이 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.

어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 또는 "직접 접촉되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는" 등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.

명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서 단수형은 문구에서 특별히 언급되지 않는 한 복수형도 포함된다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차의 냉각 시스템을 나타내는 회로도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에서 제어를 위한 주요 구성을 나타내는 블록도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차의 냉각 시스템은, 냉각수가 저장되는 리저버 탱크(110), 냉각수 유동을 제어하기 위한 제어 밸브(120), 냉각수 순환을 위한 전동식 워터펌프, 냉각수 방열을 위한 라디에이터(141) 및 쿨링팬(142), 그리고 이들 부품 및 냉각 대상 부품(31-34) 사이를 연결하는 냉각수 라인(150,152,153), 그리고 차량의 열관리 제어를 담당하는 제어기(20)로 구성된다.

상기한 구성 중 라디에이터(141) 및 쿨링팬(142)은 쿨링모듈을 구성하는 것으로서 차량 전단부에 장착될 수 있다. 또한, 상기 전동식 워터펌프는 제1 펌프(131)와 제2 펌프(132)로 구성된다. 상기 제어기(20)는 제어 밸브(120), 전동식 워터펌프인 제1 펌프(131)와 제2 펌프(132), 그리고 쿨링팬(142)의 작동을 제어하도록 구비된다.

상기 제어 밸브(120)는 냉각수 라인(150)을 따라 순환하는 냉각수가 라디에이터(141)를 선택적으로 통과하지 않도록 냉각수의 유동을 제어하기 위한 밸브이다. 상기 제어기(20)에 의해 제어 밸브(120)의 작동이 제어됨에 따라 냉각수의 유동이 제어될 수 있는데, 전륜측 부품(전륜 인버터 및 전륜 모터) 및 후륜측 부품(후륜 인버터 및 후륜 모터)을 냉각한 냉각수가 라디에이터(141)를 통과하거나 통과하지 않도록 제어될 수 있다.

이와 같이 도 3에 나타낸 냉각 시스템에서는, 미도시된 히트펌프 시스템의 작동 시 등 정해진 조건에서, 냉각수가 라디에이터(141)를 통과하지 않고 제1 펌프(131) 및 제2 펌프(132), 냉각 대상 부품(31-34), 제어 밸브(120) 사이의 냉각수 라인(150,152,153)을 따라서만 순환하도록 할 수 있다.

또는, 제어 밸브(120)의 작동이 제어됨에 따라 냉각 대상 부품(31-34)을 냉각한 냉각수가 라디에이터(141)를 통과하는 경로로 순환하도록 할 수 있다. 이에 냉각 대상 부품(31-34)을 냉각한 냉각수가 라디에이터(141) 내부를 통과하는 동안 라디에이터(141) 주위를 통과하는 공기와 열교환을 수행할 수 있고, 이에 냉각수의 냉각 및 방열이 이루어질 수 있다.

리저버 탱크(110)는 냉각수의 저장 및 보충을 위해 설치되는 것으로, 냉각수 저장과 더불어, 냉각수 라인(150,152,153)을 따라 순환하는 냉각수 중 기포를 포집 및 제거하는 역할도 하게 된다.

도 3을 참조하면, 리저버 탱크(110)는 제어 밸브(120)에 일체로 결합된 상태로 도시되고 있으나, 이는 예시적인 것으로, 본 발명이 이에 의해 한정되는 것은 아니며, 리저버 탱크(110)가 라디에이터(141)와 제어 밸브(120) 사이의 냉각수 라인(150), 또는 제어 밸브(120)와 전동식 펌프(제1 펌프)(131) 사이의 냉각수 라인(150)에 별도로 설치될 수도 있다.

도면에 상세히 나타내지는 않았지만, 리저버 탱크(110)가 제어 밸브(120)에 일체로 결합된 상태라 하더라도, 리저버 탱크(110)의 내부공간과 제어 밸브(120)의 내부유로가 서로 연통된 상태가 될 수 있도록 한다. 여기서, 제어 밸브(120)의 내부유로라 함은, 라디에이터(141) 출구측 냉각수 라인(150)과 전동식 워터펌프(131) 입구측 냉각수 라인(150) 사이를 연통시키는 내부유로일 수 있다.

또한, 도 3에는 총 4개의 포트(2개의 입구포트와 2개의 출구포트)를 가지는 제어 밸브(120)가 예시되어 있으나, 라디에이터(141)에 대한 선택적인 냉각수 바이패스 구현을 위해, 상기 제어 밸브(120) 대신, 바이패스 라인과 전자식 3-웨이 밸브를 설치하여 동일한 기능을 구현할 수도 있다.

즉, 라디에이터(141) 입구측 냉각수 라인과 라디에이터 출구측 냉각수 라인에서 각각 분기되어 양측 냉각수 라인 사이를 연결하는 바이패스 라인을 설치하고, 상기 양측 냉각수 라인 중 하나와 바이패스 라인의 분기점 위치에 전자식 3-웨이 밸브를 하는 것이다. 이 경우 냉각수 흐름 방향을 기준으로 전자식 3-웨이 밸브의 하류측 및 전동식 워터펌프의 상류측 냉각수 라인(150)에 리저버 탱크(110)가 설치될 수 있다.

그리고, 상기 제어 밸브(120)에서 전륜측 부품과 후륜측 부품으로 냉각수가 흐르도록 연결된 냉각수 라인(150)에는 제어기(20)에 의해 구동이 제어되는 전동식 워터펌프인 제1 펌프(131)가 설치되고, 제1 펌프(131)의 출구측 냉각수 라인은 커넥터(151)를 통해 2개의 냉각수 라인(152,153)으로 분기된다. 또한, 분기된 2개의 냉각수 라인(152,153)은 또 다른 커넥터(152)를 통해 하나의 냉각수 라인(150)으로 합관되고, 합관된 하나의 냉각수 라인(150)이 제어 밸브(120)로 연결된다.

본 발명에서 전륜측 부품은 전륜 구동을 위한 전력전자 부품으로서 전륜 인버터(31)와 전륜 모터(32)를 포함하고, 후륜측 부품은 후륜 구동을 위한 전력전자 부품으로서 후륜 인버터(33)와 후륜 모터(34)를 포함한다. 이때 상기 분기된 2개의 냉각수 라인 중 하나인 제1 분기 냉각수 라인(152)은 전륜 인버터(31)와 전륜 모터(32)에 연결되고, 다른 하나인 제2 분기 냉각수 라인(153)은 후륜 인버터(33)와 후륜 모터(34)에 연결된다.

그리고, 제1 분기 냉각수 라인(152)과 제2 분기 냉각수 라인(153) 중 하나에 상기 제어기(20)에 의해 구동이 제어되는 별도 전동식 워터펌프인 제2 펌프(132)가 설치된다. 도 3의 실시예에서는 제2 펌프(132)가 제2 분기 냉각수 라인(153)에 설치되고 있다.

이하의 설명에서, 두 커넥터(151,152) 사이의 분기된 냉각수 라인, 즉 제1 분기 냉각수 라인(152) 및 제2 분기 냉각수 라인(153)과 명확히 구분되도록 하기 위해, 전체 냉각수 라인 중 제1 분기 냉각수 라인(152)과 제2 분기 냉각수 라인(153)을 제외한 나머지 냉각수 라인(150)을 '메인 냉각수 라인'이라 칭하기로 한다.

요컨대, 제1 펌프(131)는 메인 냉각수 라인(150)에 설치되고, 제2 펌프(132)는 제1 분기 냉각수 라인(152)과 제2 분기 냉각수 라인(153) 중 하나에 설치된다. 도 3의 실시예에서는 제2 펌프(132)가 후륜측 부품이 설치된 제2 분기 냉각수 라인(153)에 설치되어 있다.

도 3을 참조하면, 제1 분기 냉각수 라인(152)에 의해 전륜 인버터(31)와 전륜 모터(32)가 직렬로 연결되고 있으며, 제1 분기 냉각수 라인(152)에서 냉각수 흐름 방향을 기준으로 상류측에 전륜 인버터(31)가, 하류측에 전륜 모터(32)가 설치됨을 볼 수 있다.

이에 제1 분기 냉각수 라인(152)을 따라 흐르는 냉각수가 전륜 인버터(31)를 통과한 후 전륜 모터(32)를 통과하게 되며, 제1 펌프(131)가 설치된 메인 냉각수 라인(150)으로부터 제1 분기 냉각수 라인(152)으로 분배된 동일 유량의 냉각수가, 제1 분기 냉각수 라인(152)을 따라 직렬로 배치된 전륜 인버터(31)와 전륜 모터(32)를 통과하게 된다.

마찬가지로, 제2 분기 냉각수 라인(153)에 의해 후륜 인버터(33)와 후륜 모터(34)가 직렬로 연결되고, 제2 분기 냉각수 라인(153)에서 냉각수 흐름 방향을 기준으로 상류측에 후륜 인버터(33)가, 하류측에 후륜 모터(34)가 설치될 수 있다. 이때 제2 분기 냉각수 라인(153)에서 제2 펌프(132)는 후륜 인버터(33)의 상류측 위치에 설치될 수 있다.

제2 분기 냉각수 라인(153)을 따라 흐르는 냉각수는 제2 펌프(132)에 의해 압송되어 후륜 인버터(33)와 후륜 모터(34)를 차례로 통과하게 되며, 제2 펌프(132), 후륜 인버터(33), 후륜 모터(34)에는 제2 분기 냉각수 라인(153)으로 분배된 동일 유량의 냉각수가 통과하게 된다.

본 발명의 실시예에서 제1 펌프(131)와 제2 펌프(132)는 동일 펌핑 용량을 가지는 것일 수 있다.

본 발명의 실시예에서 제2 펌프(132)는, 전륜측 부품(전륜 인버터 및 전륜 모터)(31,32)와 후륜측 부품(후륜 인버터 및 후륜 모터)(33,34) 중 상대적으로 발열량이 많은 쪽의 분기 냉각수 라인에 설치될 수 있다.

요컨대, 제1 펌프(131)는 전체 유량의 냉각수가 통과하는 메인 냉각수 라인(150)에 설치되고, 제2 펌프(132)는 메인 냉각수 라인(150)으로부터 분기된 두 분기 냉각수 라인(152,153) 중 냉각 대상 부품의 발열량이 상대적으로 많은 쪽의 분기 냉각수 라인에 설치된다.

도 3의 실시예에서는 후륜측 부품(33,34)의 발열량이 전륜측 부품(31,32)의 발열량에 비해 많으므로 후륜측 부품이 설치된 제2 분기 냉각수 라인(153)에 제2 펌프(132)가 설치되어 있다.

본 발명에서 전동식 워터펌프, 즉 제1 펌프(131)와 제2 펌프(132)는 차량 앞부분에 위치한 PE(Power Electric)룸 내에 설치될 수 있는데, 이때 전륜 인버터(31) 및 전륜 모터(32)가 차량 앞부분에 위치되고, 후륜 인버터(33) 및 후륜 모터(34)가 차량 뒷부분에 위치된다.

따라서, 전동식 워터펌프로부터 전륜 인버터(31) 및 전륜 모터(32)까지의 냉각수 경로에 비해 후륜 인버터(33) 및 후륜 모터(34)까지의 냉각수 경로가 상대적으로 더 멀고, 전륜 인버터(31) 및 전륜 모터(32)까지의 냉각수 유동 저항에 비해 후륜 인버터(33) 및 후륜 모터(34)까지의 냉각수 유동 저항이 더 크다. 이는 제2 펌프(132)가 후륜 인버터(33) 및 후륜 모터(34)가 설치된 제2 분기 냉각수 라인(153)에 설치되어야 하는 이유이기도 하다.

또한, 이때 제1 펌프(131)와 제2 펌프(132)를 동시에 구동하게 되면, 제1 펌프(131)가 설치된 메인 냉각수 라인(150)으로부터 제1 분기 냉각수 라인(152)과 제2 분기 냉각수 라인(153)으로 냉각수가 분배되고, 이에 제1 분기 냉각수 라인(152)과 제2 분기 냉각수 라인(153)을 따라 병렬로 냉각수가 흐르게 된다.

결국, 냉각수가 리저버 탱크(110), 제어 밸브(120), 제1 펌프(131)를 거친 뒤 제1 분기 냉각수 라인(152)과 제2 분기 냉각수 라인(153)으로 분배되고, 이후 제1 분기 냉각수 라인(152)으로 분배된 냉각수는 전륜측 부품인 전륜 인버터(31)와 전륜 모터(32)를 차례로 통과하게 된다.

또한, 제2 분기 냉각수 라인(153)으로 분배된 냉각수는 제2 펌프(132)에 의해 추가적으로 압송되는데, 제2 분기 냉각수 라인(153)에서 냉각수는 제2 펌프(132), 후륜측 부품인 후륜 인버터(33)와 후륜 모터(34)를 차례로 통과하게 된다.

제1 분기 냉각수 라인(152)과 제2 분기 냉각수 라인(153)을 통과한 냉각수는 합관된 메인 냉각수 라인(150)으로 흘러 합류하게 되며, 합류한 냉각수는 이후 제어 밸브(120), 라디에이터(141), 제어 밸브(120)의 경로로 흐르게 된다. 물론, 냉각수가 전륜 인버터(31) 및 전륜 모터(32)와 후륜 인버터(33) 및 후륜 모터(34)를 병렬로 통과하는 동안, 이들 인버터와 모터가 냉각수에 의해 냉각된다.

이와 같이 하여, 도 3에 도시된 냉각 시스템에서는 전동식 워터펌프인 제1 펌프(131)의 출구측 메인 냉각수 라인(150)이 2개의 분기 냉각수 라인(152,153)으로 분기되고, 인버터와 모터의 냉각 대상 부품 중 전륜측 부품(전륜 인버터와 전륜 모터)(31,32)과 후륜측 부품(후륜 인버터와 후륜 모터)(33,34)이 상기 분기된 각각의 분기 냉각수 라인(152,153)에 나누어 설치된다. 이에 냉각수가 전륜측 부품(31,32)과 후륜측 부품(33,34)을 병렬로 통과하게 된다.

상기와 같이 냉각 시스템의 병렬형 회로 구성에 의해 냉각수가 냉각 대상 부품을 병렬로 흐를 수 있게 됨에 따라 냉각수의 통수 저항 및 유동 저항이 감소될 수 있고, 냉각수 유량 증대가 가능해진다.

특히, 복수 개의 냉각 대상 부품(전륜 인버터, 전륜 모터, 후륜 인버터, 후륜 모터 등) 모두가 하나의 메인 냉각수 라인을 따라 직렬로 배치되는 종래의 냉각 시스템과 비교하였을 때, 냉각수의 통수 저항 및 유동 저항이 감소되면서 냉각 대상 부품을 통과하는 냉각수 유량을 증대시킬 수 있다.

또한, 제1 펌프(131)와 제2 펌프(132)의 구동 상태, 즉 각 펌프의 회전수(RPM)가 최적 제어될 경우 목표로 하는 전체 냉각수 유량이 달성될 수 있고, 두 펌프의 제어를 통해 전륜측 부품(전륜 인버터와 전륜 모터)과 후륜측 부품(후륜 인버터와 후륜 모터)의 선택적인 냉각, 그리고 통과하는 냉각수의 개별 유량 제어가 모두 가능해진다.

즉, 본 발명에 따른 냉각 시스템에서는 전동식 워터펌프인 제1 펌프(131) 및 제2 펌프(132)의 회전수를 제어함으로써 냉각 대상 부품별 냉각수 통과 유량의 제어가 가능하고, 냉각 대상 부품별 선택적인 냉각이 가능해진다.

특히, 전륜측 부품(전륜 인버터 및 전륜 모터)과 후륜측 부품(후륜 인버터 및 후륜 모터)으로 각각 공급되는 냉각수의 유량 및 분배량을, 전륜측 부품의 발열량과 후륜측 부품의 발열량을 고려한 목표 유량으로 제어하는 것이 가능해진다.

차량 주행 시 전륜측 부품인 전륜 인버터(31) 및 전륜 모터(32)와, 후륜측 부품인 후륜 인버터(33) 및 후륜 모터(34)가 정상 작동하는 조건에서, 전륜측 부품 발열량에 대한 후륜측 부품 발열량의 비는, 차량 개발 및 설계 단계에서 특정 값으로 정해질 수 있다.

물론, 전륜측 부품 발열량에 대한 후륜측 부품 발열량의 비가, 차량에 탑재된 인버터 또는 모터의 사양이나 차종 등에 따라서는 달라질 수 있으나, 동일 사양 및 동일 차종이라면 동일 값으로 고정될 수 있다.

이에 본 발명에서 전륜측 부품을 통과하는 냉각수 유량에 대한 후륜측 부품을 통과하는 냉각수 유량의 비가 해당 차종에서의 정해진 발열량 비를 고려하여 결정될 수 있다.

이하의 설명에서 전륜측 부품 발열량에 대한 후륜측 부품 발열량의 비를 '전, 후륜측 발열량 비'라 칭하기로 하고, 전륜측 부품을 통과하는 냉각수 유량에 대한 후륜측 부품을 통과하는 냉각수 유량의 비를 '전, 후륜측 냉각수 유량 비'라 칭하기로 한다.

또한, 이하의 설명에서 '전륜측 발열량'은 전륜측 부품(31,32)의 발열량으로 정의하고, '후륜측 발열량'은 후륜측 부품(33,34)의 발열량으로 정의한다. 또한, 이하의 설명에서 '전륜측 유량'은 제1 분기 냉각수 라인(152)을 따라 전륜측 부품인 전륜 인버터(31)와 전륜 모터(32)를 통과하는 냉각수의 유량으로 정의한다. 또한, '후륜측 유량'은 제2 분기 냉각수 라인(153)을 따라 후륜측 부품인 후륜 인버터(33)와 후륜 모터(34)를 통과하는 냉각수의 유량으로 정의한다.

본 발명에서 전, 후륜측 발열량 비를 고려하여 전, 후륜측 냉각수 유량 비가 정해질 수 있고, 이때 전, 후륜측 냉각수 유량 비는, 목표로 하는 전륜측 유량에 대한 목표로 하는 후륜측 유량이라 할 수 있다.

즉, 냉각 시스템에서 제1 펌프(131) 및 제2 펌프(132) 등의 제어 시, 전, 후륜측 냉각수 유량 비는 전륜측 목표 유량에 대한 후륜측 목표 유량의 비라 할 수 있고, 본 발명에서 전륜측 유량이 전륜측 목표 유량에 도달하도록, 그리고 후륜측 유량이 후륜측 목표 유량에 도달하도록 제1 펌프(131) 및 제2 펌프(132)의 구동을 제어하게 된다.

제1 펌프(131) 및 제2 펌프(132)의 구동 제어 시, 목표로 하는 전, 후륜측 냉각수 유량 비가 유지될 수 있도록 제1 펌프(131)의 회전수와 제2 펌프(132)의 회전수가 제어될 수 있다.

한편, 본 발명에서 전륜측 부품(전륜 모터와 전륜 인버터)(31,32)의 온도와 후륜측 부품(후륜 모터와 후륜 인버터)(33,34)의 온도로부터 전륜측 부품 및 후륜측 부품의 냉각이 각각 필요한지를 판단하는데, 전륜측 부품의 온도와 후륜측 부품의 온도로서 각 부품의 냉각수 통로(예, 부품의 워터자켓 등)를 통과하는 냉각수의 온도가 사용될 수 있다.

예로서, 전륜측 부품 중 전륜 인버터(31)의 냉각수 통로에 제1 온도센서(11)가 설치될 수 있고, 이 제1 온도센서(11)에 의해 전륜 인버터(31)를 통과하는 냉각수의 온도가 검출될 수 있다.

상기 검출되는 냉각수의 온도는 전륜 인버터(31)의 온도라 할 수 있고, 본 발명에서 제1 펌프(131) 및 제2 펌프(132)의 구동을 제어하는데 있어 전륜측 부품의 온도로 사용될 수 있다. 전륜측 부품의 온도는 전륜측 부품의 발열량에 상응하는 온도이다.

마찬가지로, 후륜측 부품 중 후륜 인버터(33)의 냉각수 통로에 제2 온도센서(12)가 설치될 수 있고, 이 제2 온도센서(12)에 의해 후륜 인버터(33)를 통과하는 냉각수의 온도가 검출될 수 있다.

상기 검출되는 냉각수의 온도는 후륜 인버터(33)의 온도라 할 수 있고, 본 발명에서 제1 펌프(131) 및 제2 펌프(132)의 구동을 제어하는데 있어 후륜측 부품의 온도로 사용될 수 있다. 후륜측 부품의 온도는 후륜측 부품의 발열량에 상응하는 온도이다.

이하의 설명에서는 온도센서(11,12)에 의해 검출되는 것으로서 전륜측 부품의 냉각수 온도를 '전륜측 냉각수 온도'라 약칭하고, 마찬가지로 후륜측 부품의 냉각수 온도를 '후륜측 냉각수 온도'라 약칭하기로 한다.

본 발명에서 전륜측 부품과 후륜측 부품에 각각 설치된 두 온도센서(11,12)의 신호가 제어기(20)에 입력되면, 제어기(20)는 두 온도센서(11,12)의 신호로부터 실시간으로 전륜측 냉각수 온도(전륜측 부품의 온도임)와 후륜측 냉각수 온도(후륜측 부품의 온도임)를 취득하게 된다.

또한, 제어기(20)는 전륜측 냉각수 온도와 후륜측 냉각수 온도로부터 전륜측 부품 및 후륜측 부품의 냉각이 필요한지를 판단할 수 있다. 또한, 제어기(20)는 그 판단 결과에 따라 제1 펌프(131) 및 제2 펌프(132)의 구동 상태, 즉 두 펌프의 회전수를 개별 제어할 수 있다.

그리고, 두 온도센서(11,12)에 의해 검출되는 냉각수 온도를 기초로 목표 유량을 충족시킬 수 있는 제1 펌프(131)의 목표 회전수가 결정될 수 있다. 이때 제어기(20)에서 제어 로직에 따라 전, 후륜측 유량 비를 만족하는 후륜측 유량의 충족을 위해 제2 펌프(132)의 목표 회전수가 결정될 수 있다. 결국, 상기 결정된 목표 회전수로 구동하도록 각 펌프(131,132)가 제어됨으로써 전륜측 유량과 후륜측 유량이 충족될 수 있다.

이와 같이 전륜측 부품과 후륜측 부품이 모두 발열하고 모두 냉각이 필요한 상태라면, 제어기(20)가 전, 후륜측 발열량 비 및 유량 비를 고려하여 제1 펌프(131)의 회전수와 제2 펌프(132)의 회전수를 제어할 수 있다.

예컨대, 본 발명의 냉각 시스템이 탑재되는 차량에서 전, 후륜측 발열량 비가 1.4라면, 전, 후륜측 냉각수 유량 비를 1.4로 제어해야 전륜측 부품(31,32)의 온도와 후륜측 부품(33,34)의 온도를 서로 동등 수준으로 제어 및 유지할 수 있다.

또한, 차량의 전, 후륜측 발열량 비 값이 1.4인 경우, 전, 후륜측 유량 비 값을 1.4로 제어하기 위해, 제1 펌프(131)의 회전수에 대한 제2 펌프(132)의 회전수의 비율을 60 ~ 80%로 제어할 수 있다.

반면, 전륜측 부품과 후륜측 부품 중 한쪽의 발열량이 높고, 특히 한쪽만 온도가 높아 냉각이 필요한 경우, 발열량이 높은 한쪽으로만 냉각수가 분배될 수 있도록 제1 펌프(131)와 제2 펌프(132)의 회전수를 제어할 수 있는데, 이때 제2 펌프(132)의 회전수를 제1 펌프(131)의 회전수와 동일하게 제어할 수 있다. 즉, 제2 펌프(132)의 회전수를 제1 펌프(131)의 회전수 대비 100%가 되도록 제어하는 것이다.

하지만, 이와 같이 제2 펌프(132)의 회전수를 제1 펌프(131)의 회전수 대비 100%가 되도록 제어한다면(즉, 제1 펌프와 제2 펌프)를 동일 회전수로 제어한다면), 제어 오차 발생으로 인해 뜻하지 않게 제2 펌프(132)의 회전수가 제1 펌프(131)의 회전수보다 높아질 경우, 제1 분기 냉각수 라인(152)쪽의 냉각수가 제2 분기 냉각수 라인(153)쪽으로 흐르는 역류 문제가 발생할 수 있다.

따라서, 바람직하게는, 전륜측 부품(31,32)에 비해 발열량이 큰 후륜측 부품(33,34)의 온도가 설정된 기준온도보다 높은 상태여서 후륜측 부품의 냉각만 필요한 조건일 경우, 제어기(20)에 의해, 제2 펌프(132)의 목표 회전수가, 제1 펌프(131)의 목표 회전수 대비 100%보다 설정된 여유값(α)만큼 낮은 비율(100-α)의 회전수로 결정될 수 있고, 이어 제2 펌프(132)의 회전수가 상기 결정된 목표 회전수로 제어된다.

본 발명의 실시예에서 상기 여유값(α)은 10%로 설정될 수 있다. 이 경우 제1 펌프(131)의 목표 회전수 대비 90%의 회전수(100-α=90%)가 제2 펌프(132)의 목표 회전수로 결정되고, 제1 펌프(131)의 목표 회전수 대비 90%의 회전수를 목표로 하여 제2 펌프(132)의 회전수가 제어된다.

본 발명의 실시예에서 미리 설정되는 여유값(예, 10%)이 과도하게 큰 값일 경우 제1 분기 냉각수 라인(152)으로 과량의 냉각수가 흐르게 되면서 전륜측 부품의 과냉 문제가 발생할 수 있다.

반면, 여유값이 과도하게 작은 값일 경우 상기한 역류 문제가 해결되지 못하고 제1 분기 냉각수 라인(152)에서 제2 분기 냉각수 라인(153)으로 냉각수가 역류하는 문제가 발생할 수 있다.

이하의 설명에서는 제1 펌프(131)의 회전수(또는 목표 회전수)에 대한 제2 펌프(132)의 회전수(또는 목표 회전수)의 비율(%)을 '펌프 회전수 비율'이라 칭하기로 한다. 또한, 메인 냉각수 라인(150) 및 라디에이터(141)에서의 실제 냉각수 유량을 '전체 유량'이라 칭하기로 한다.

본 발명자는 다양한 전체 유량 조건에서 전, 후륜측 유량 비가 특정 목표 유량 비가 되도록 하기 위한 제1 펌프(131)의 회전수와 제2 펌프(132)의 회전수를 다양하게 변경 및 조합하여 시험한 바 있다. 이러한 유량 제어 시험 및 평가 과정을 통해 전, 후륜 유량 비가 목표 유량 비 1.4를 만족할 수 있는 펌프 회전수 비율이 60 ~ 80%임을 확인하였다.

하기 표 1은 본 발명자가 수행한 유량 제어 시험 및 평가 결과를 나타낸 것이다.

상기 표 1에서 '단계'는 후술하는 냉각 대상 부품(전륜측 부품 및 후륜측 부품)(31-34)의 온도에 따라 선택되는 냉각 단계를 나타내는 것이며, 각 단계마다 목표 유량이 설정되어 있다. 여기서, 냉각 대상 부품의 온도는 전술한 바와 같이 냉각 대상 부품을 통과하는 냉각수 온도일 수 있고, 이는 온도센서(11,12)에 의해 검출될 수 있다.

상기 목표 유량은 라디에이터(141) 및 메인 냉각수 라인(150)을 통과하는 전체 유량에 있어 목표로 하는 유량이며, 전륜측 부품(31,32)과 후륜측 부품(33,34)의 냉각이 모두 필요한 조건일 때 각 단계마다 전륜측 부품의 온도와 후륜측 부품의 온도를 설정범위 이내의 온도로 냉각 및 제어할 수 있는 유량이다.

본 발명에서 전체 유량이 목표 유량이 될 수 있도록 제1 펌프(131) 및 제2 펌프(132)의 회전수를 제어해야 하고, 이때 전륜, 후륜측 발열량 비가 고려된 전, 후륜측 유량비(목표 유량 비) 1.4를 만족하도록 전륜측 유량과 후륜측 유량을 제어해야 한다.

또한, 목표 유량비 1.4를 만족하도록 제1 펌프(131)의 회전수와 제2 펌프(132)의 회전수가 제어되어야 하는바, 표 1에는 시험을 통해 얻어진 것으로서, 부품의 발열 상태 및 온도에 따른 단계별 목표 유량을 만족하면서 목표 유량비 1.4를 동시에 만족하는 제1 펌프(131)의 회전수와 제2 펌프(132) 회전수가 기재되어 있다. 표 1을 참조하면, 목표 유량 비가 1.4 수준일 때 펌프 회전수 비율은 60 ~ 80%로 정해짐을 알 수 있다.

한편, 도 5는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 회로도로서, 리저버 탱크(110)와 제어 밸브(120), 제1 펌프(131)와 제2 펌프(132), 커넥터(151,152)는 결합되어 모듈화된 구성으로 구비될 수 있다.

그리고, 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 회로도로서, 제2 분기 냉각수 라인(153)이 아닌, 제1 분기 냉각수 라인(152)에 전동식 워터펌프인 제2 펌프(132)가 설치된 실시예의 구성을 보여준다.

도 6에 도시된 실시예의 냉각 시스템은, 전륜 인버터(31) 및 전륜 모터(32) 등 전륜측 부품의 발열량이 후륜 인버터(33) 및 후륜 모터(34) 등 후륜측 부품의 발열량에 비해 큰 차량에 적용될 수 있는 것이다.

그리고, 도 7과 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 회로도로서, 제어 밸브(120)가 삭제된 실시예의 구성을 보여준다. 도 7과 도 8에 도시된 실시예에서는 제어 밸브(120)가 삭제되었으므로 냉각수 라인(150,152,153)을 따라 순환하는 냉각수가 라디에이터(141)를 상시 통과하게 된다.

도 7 및 도 8의 실시예에서 제1 펌프(131)와 제2 펌프(132)의 설치 및 배치 상태, 제1 분기 냉각수 라인(152)과 제2 분기 냉각수 라인(153)의 설치 상태, 냉각 대상 부품의 설치 및 배치 상태 등은, 도 3, 도 5 및 도 6의 실시예와 비교하여 차이가 없다.

이상으로 본 발명의 실시예에 따른 냉각 시스템의 구성에 대해 상세히 설명하였으며, 이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 냉각 시스템의 제어 과정에 대해 상술하기로 한다.

도 9는 본 발명에 따른 냉각 시스템의 제어 과정을 나타내는 순서도로서, 제어 과정의 예를 나타내는 도면이며, 냉각 단계에 따라 제1 펌프(131)와 제2 펌프(132)의 회전수가 제어되는 예를 보여주고 있다. 냉각 단계에 대해서는 표 1을 참조로 설명한 바 있다.

좀 더 설명하면, 본 발명에 따른 냉각 시스템에서 냉각 대상 부품의 온도, 즉 전륜측 부품(31,32)의 온도 및 후륜측 부품(33,34)의 온도에 따라 선택될 수 있는 복수의 냉각 단계가 미리 정의되어 제어기(20)에 설정된다.

전술한 바와 같이, 전륜측 부품의 온도는 전륜측 부품(예, 전륜 인버터)을 통과하는 냉각수의 온도, 즉 전륜측 냉각수 온도일 수 있고, 후륜측 부품의 온도는 후륜측 부품(예, 후륜 인버터)을 통과하는 냉각수의 온도, 즉 후륜측 냉각수 온도일 수 있다. 상기 전륜측 냉각수 온도와 후륜측 냉각수 온도는 각각 온도센서(11,12)에 의해 검출될 수 있다.

제어기(20)는 설정된 복수의 냉각 단계 중 각 온도센서(11,12)의 신호로부터 취득되는 전륜측 냉각수 온도와 후륜측 냉각수 온도를 기초로 현재의 냉각 요구 부하에 해당하는 냉각 단계를 결정하게 된다.

본 발명의 실시예에서 제어기(20)에 표 1에 나타낸 바와 같이 1단계부터 4단계까지의 총 4단계로 구분되는 냉각 단계가 설정될 수 있고, 이와 함께 냉각 단계별 해당하는 온도범위가 미리 설정될 수 있다.

1단계는 냉각 요구 부하가 가장 작은 단계로서, 예컨대 전륜측 냉각수 온도와 후륜측 냉각수 온도가 제1 임계온도 미만인 경우 1단계로 결정될 수 있다. 이때 2단계의 온도범위는 1단계보다 높은 온도범위로 설정되고, 3단계의 온도범위는 2단계보다 높은 온도범위로 설정된다. 4단계는 냉각 요구 부하가 가장 큰 최대 냉각 단계로서, 4단계의 온도범위는 3단계보다 높은 온도범위로 설정된다.

또한, 전륜측 냉각수 온도와 후륜측 냉각수 온도가 제1 임계온도 이상이면서 제2 임계온도 미만인 경우 제어기(20)에서 냉각 단계가 2단계로 결정될 수 있고, 제2 임계온도 이상이면서 제3 임계온도 미만인 경우 냉각 단계가 3단계로, 제3 임계온도 이상인 경우 냉각 단계가 최대 냉각 단계인 4단계로 결정될 수 있다.

이하 도 9에 예시된 제어 과정에 대해 단계별로 설명하면, 전륜측 부품의 온도와 후륜측 부품의 온도가 검출된다. 즉, 전륜측 부품(예, 전륜 인버터)의 냉각수 통로에 설치된 제1 온도센서(11)에 의해 전륜측 온도가 검출되고, 후륜측 부품(예, 후륜 인버터)의 냉각수 통로에 설치된 제2 온도센서(12)에 의해 후륜측 냉각수 온도가 검출된다(S11).

이어 제어기(20)는 각 온도센서(11,12)에 의해 검출된 냉각수 온도로부터 각 분기 냉각수 라인(152,153)에 설치된 인버터(31,33)와 모터(32,34)의 냉각이 필요한지를 판단하는데(S12), 운전 초기에는 발열량이 상대적으로 많은 후륜측 부품의 온도, 즉 후륜측 냉각수 온도가 전륜측 부품의 온도인 전륜측 냉각수 온도보다 높을 수 있다.

이에 제어기(20)는 전륜측 냉각수 온도와 후륜측 냉각수 온도를 미리 설정된 기준온도와 비교하여 전륜측 부품과 후륜측 부품의 냉각이 필요한지를 판단하고(S12), 만약 전륜측 냉각수 온도는 기준온도를 초과하지 않지만 후륜측 냉각수 온도가 기준온도를 초과한다면 후륜측 부품만 냉각이 필요한 것으로 판단한다(S13).

이와 같이 후륜측 부품만 냉각이 필요한 것으로 판단한 경우, 제어기(20)에서는 후륜측 냉각수 온도에 상응하는 제1 펌프(131)의 목표 회전수가 설정 데이터에 의해 결정된다(S14).

여기서, 설정 데이터는 후륜측 냉각수 온도와 제1 펌프의 목표 회전수 간 상관 관계를 미리 정의한 데이터로서, 예를 들면 후륜측 냉각수 온도에 상응하는 값으로 제1 펌프의 목표 회전수가 설정된 맵이거나 테이블일 수 있으며, 또는 후륜측 냉각수 온도로부터 제1 펌프의 목표 회전수를 산출할 수 있는 수식일 수 있다.

상기와 같이 제1 펌프(131)의 목표 회전수가 결정되면 제1 펌프(131)의 목표 회전수로부터 제2 펌프(132)의 목표 회전수가 결정되는데, 이때 제2 펌프(132)의 목표 회전수는 제1 펌프(131)의 목표 회전수의 (100-α)%에 해당하는 회전수로 결정된다.

여기서, α는 미리 설정되는 여유값이며, 도 9의 예에서는 10%의 여유값을 적용하여, 제1 펌프(131)의 목표 회전수의 90%에 해당하는 회전수가 제2 펌프(132)의 목표 회전수가 된다.

상기와 같이 제1 펌프(131)의 목표 회전수 및 제2 펌프(132)의 목표 회전수가 결정되면, 제어기(20)에 의해 제1 펌프(131) 및 제2 펌프(132)의 회전수가 상기 결정된 각각의 목표 회전수로 제어된다.

결국, 각각 목표 회전수로 제어되는 제1 펌프(131) 및 제2 펌프(132)의 구동에 의해 메인 냉각수 라인(150)으로부터 냉각수 전체 유량 중 대부분이 제2 분기 냉각수 라인(153)으로 흐르게 되고, 이로써 후륜측 부품(33,34)의 냉각이 이루어질 수 있게 된다.

이때 제1 분기 냉각수 라인(152)으로는 냉각수가 유동하지 않거나 미량의 냉각수만이 유동하게 되며, 실질적으로 대부분의 냉각수가 제2 분기 냉각수 라인(153)으로 흐르게 되면서 후륜측 부품(33,34)의 냉각만이 수행될 수 있다.

상기와 같이 후륜측 부품(33,34)의 냉각만이 수행되면, 결국 후륜측 부품의 온도, 즉 후륜측 냉각수 온도는 전륜측 부품(31,32)의 온도인 전륜측 냉각수 온도와 같거나 근접한 온도가 된다.

이후 도 9의 S11 단계 및 S12 단계를 반복한 뒤, S13 단계에서 전륜측 냉각수 온도와 후륜측 냉각수 온도가 모두 상기 기준온도를 초과하게 되면, 제어기(20)는 전륜측 부품과 후륜측 부품 모두가 냉각되어 하는 것으로 판단하고, 전륜측 냉각수 온도와 후륜측 냉각수 온도로부터 현재의 냉각 요구 부하에 해당하는 냉각 단계가 결정된다(S15).

상기와 같이 S13 단계 및 S14 단계에서 후륜측 부품(33,34)만의 냉각이 수행되면, 결국 전륜측 냉각수 온도와 후륜측 냉각는 온도가 동일 온도가 되거나 일정 값 미만의 온도차를 가지도록 근접한 온도가 되는바, 전륜측 냉각수 온도와 후륜측 냉각수 온도가 모두 기준온도를 초과하게 되어 전륜측 부품(31,32)과 후륜측 부품(33,34)의 냉각이 모두 필요할 수 있다.

S15 단계에서 현재의 냉각 요구 부하에 해당하는 냉각 단계가 결정되고 나면, 전, 후륜측 발열량 비 값이 1.4인 차량에서, 전, 후륜측 유량 비 값을 1.4로 제어하기 위해, 제1 펌프(131)의 회전수에 대한 제2 펌프(132)의 회전수의 비율을 60 ~ 80%로 제어할 수 있다(S16-19 단계).

이때 제1 펌프(131)의 목표 회전수는 미리 설정된 최소 회전수(예, 500 RPM)와 냉각 단계의 단 수(N=1~4)에 비례하는 값으로 정해지는 회전수를 합산한 값으로 결정될 수 있다. 구체적으로는, 미리 설정된 계수 값인 1000을 현재의 냉각 단계를 나타내는 단 수(N)와 곱한 뒤, 상기 곱한 값(= 1000×N)과 상기 최소 회전수(500 RPM)를 합산한 값으로 제1 펌프(131)의 목표 회전수를 결정할 수 있다.

또한, 제2 펌프(132)의 목표 회전수는, 제1 펌프(131)의 목표 회전수 100% 대비 정해진 비율(%)에 해당하는 회전수로 결정될 수 있다. 구체적으로는, 제2 펌프(132)의 목표 회전수는, 제1 펌프(131)의 목표 회전수 100% 대비, 상기 결정된 냉각 단계의 단 수(N)에 따라 정해지는 비율(%)에 해당하는 회전수로 결정될 수 있다.

더 구체적으로는, 상기 전, 후륜측 발열량 비 및 유량 비가 1.4일 때, 제2 펌프(132)의 목표 회전수는 제1 펌프(131)의 목표 회전수의 60 ~ 80%에 해당하는 회전수로 결정될 수 있다. 이와 같이 제2 펌프(132)의 목표 회전수를 결정하기 위해, 제어기(20)에서 상기 제1 펌프(131)의 목표 회전수로부터 제2 펌프(132)의 목표 회전수를 결정할 수 있는 계산식의 예로서, 하기 수학식 1이 이용될 수 있다.

[수학식 1]

제2 펌프의 목표 회전수[RPM] = 제1 펌프의 목표 회전수[RPM] × (80 - (4×N))[%]

상기 수학식 1에서 펌프의 회전수 단위는 RPM이며, N은 냉각 단계의 단수이다.

결국, 제1 펌프(131)의 목표 회전수와 제2 펌프(132)의 목표 회전수가 결정되면, 제어기(20)에 의해 제1 펌프(131) 및 제2 펌프(132)의 회전수가 상기 결정된 각각의 목표 회전수로 제어된다.

이로써, 각각 목표 회전수로 제어되는 제1 펌프(131) 및 제2 펌프(132)의 구동에 의해, 메인 냉각수 라인(150)으로부터 제1 분기 냉각수 라인(152)과 제2 분기 냉각수 라인(152)으로 전, 후륜측 유량 비(목표 유량 비)에 상응하는 냉각수가 분배되어 흐르게 되고, 이로써 전륜측 부품(31,32) 및 후륜측 부품(33,34)의 냉각이 이루어질 수 있게 된다.

이와 같이 하여, 본 발명에 따른 냉각 시스템에 의하면, 냉각수 라인을 분기하여 냉각 대상 부품을 분기된 냉각수 라인에 병렬로 배치하고, 메인 냉각수 라인(150)에 제1 펌프(131)를, 상기 메인 냉각수 라인(150)으로부터 분기된 분기 냉각수 라인 중 하나에 제2 펌프(132)를 설치하여 제1 펌프(131) 및 제2 펌프(132)의 회전수를 제어함으로써, 냉각 대상 부품의 발열 상태에 따라 냉각수 유량을 제어할 수 있고, 병렬 배치를 통해 냉각 대상 부품을 통과하는 냉각수의 통수 저항 및 유동 저항을 줄일 수 있게 된다.

또한, 메인 냉각수 라인(150) 및 라디에이터(141)를 통과하는 전체 냉각수 유량과 더불어 분기 냉각수 라인으로 흐르는 냉각수의 유량 증대가 가능해지고, 이를 통해 냉각 성능 향상을 달성할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 의하면, 제1 펌프(131) 및 제2 펌프(132)의 제어를 통해 냉각수가 분기 냉각수 라인에 설치된 냉각 대상 부품을 선택적으로 흐르도록 하는 것이 가능하고, 냉각 대상 부품의 선택적 냉각이 가능해지게 된다.

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

11, 12: 온도센서
20 : 제어기
31 : 전륜 인버터
32 : 전륜 모터
33 : 후륜 인버터
34 : 후륜 모터
110 : 리저버 탱크
120 : 제어 밸브
131 : 제1 펌프)
132 : 제2 펌프
141 : 라디에이터
142 : 쿨링팬
150 : 메인 냉각수 라인
151, 154 : 커넥터
152 : 제1 분기 냉각수 라인
153 : 제2 분기 냉각수 라인

Claims (18)

1. 냉각수 순환을 위한 전동식 워터펌프, 냉각수 방열을 위한 라디에이터, 및 상기 전동식 워터펌프와 냉각 대상 부품, 상기 라디에이터 사이에 냉각수가 순환하도록 연결된 냉각수 라인을 포함하는 전기자동차의 냉각 시스템이 있어서,
   상기 냉각수 라인은, 상기 라디에이터가 설치된 메인 냉각수 라인, 상기 메인 냉각수 라인에 병렬로 분기되도록 연결된 제1 분기 냉각수 라인과 제2 분기 냉각수 라인을 포함하고,
   상기 제1 분기 냉각수 라인과 제2 분기 냉각수 라인에 각각 냉각수가 통과하도록 냉각 대상 부품이 설치되며,
   상기 전동식 워터펌프는, 상기 메인 냉각수 라인에 설치되고 제어기에 의해 구동이 제어되는 제1 펌프, 및 상기 제1 분기 냉각수 라인과 제2 분기 냉각수 라인 중 정해진 하나에 설치되고 상기 제어기에 의해 구동이 제어되는 제2 펌프를 포함하는 전기자동차의 냉각 시스템.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 분기 냉각수 라인에 설치된 냉각 대상 부품은, 차량의 전륜을 구동하기 위한 전륜 모터, 및 상기 전륜 모터를 구동 및 제어하기 위한 전륜 인버터를 포함하고,
   상기 제2 분기 냉각수 라인에 설치된 냉각 대상 부품은, 차량의 후륜을 구동하기 위한 후륜 모터, 및 상기 후륜 모터를 구동 및 제어하기 위한 후륜 인버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 냉각 시스템.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 제1 분기 냉각수 라인에서 상기 전륜 인버터가 냉각수 흐름 방향을 기준으로 상기 전륜 모터의 상류측 위치에 설치되고,
   상기 제2 분기 냉각수 라인에서 상기 후륜 인버터가 냉각수 흐름 방향을 기준으로 상기 후륜 모터의 상류측 위치에 설치된 것을 특징으로 하는 전기자동차의 냉각 시스템.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 펌프와 상기 제2 펌프가 동일 펌핑 용량을 가진 것을 특징으로 하는 전기자동차의 냉각 시스템.
   
5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 하나의 항에 있어서,
   상기 제2 펌프는 냉각수 흐름 방향을 기준으로 상기 제1 펌프의 하류측 위치에 설치된 것을 특징으로 하는 전기자동차의 냉각 시스템.
   
6. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 하나의 항에 있어서,
   상기 제2 펌프는 상기 제1 분기 냉각수 라인과 상기 제2 분기 냉각수 라인 중 설치된 냉각 대상 부품의 발열량이 더 큰 분기 냉각수 라인에 설치되는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 냉각 시스템.
   
7. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 하나의 항에 있어서,
   상기 제2 펌프가 분기 냉각수 라인에서 냉각수 흐름 방향을 기준으로 냉각 대상 부품의 상류측 위치에 설치된 것을 특징으로 하는 전기자동차의 냉각 시스템.
   
8. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 하나의 항에 있어서,
   상기 제1 분기 냉각수 라인에 설치된 냉각 대상 부품의 온도를 검출하는 제1 온도센서, 및 상기 제2 분기 냉각수 라인에 설치된 냉각 대상 부품의 온도를 검출하는 제2 온도센서를 더 포함하고,
   상기 제어기는 제1 온도센서 및 제2 온도센서에 의해 검출된 냉각 대상 부품의 온도를 기초로 제1 펌프와 제2 펌프의 구동을 제어하도록 구비된 것을 특징으로 하는 전기자동차의 냉각 시스템.
   
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 제2 펌프가 제2 분기 냉각수 라인에 설치되고,
   상기 제어기는,
   상기 제1 온도센서에 의해 검출된 냉각 대상 부품의 온도가 미리 설정된 기준온도를 초과하지 않으면서, 상기 제2 온도센서에 의해 검출된 냉각 대상 부품의 온도가 상기 기준온도를 초과할 경우,
   상기 제2 분기 냉각수 라인에 설치된 냉각 대상 부품만 냉각될 수 있도록 제1 펌프 및 제2 펌프의 구동을 제어하도록 설정된 것을 특징으로 하는 전기자동차의 냉각 시스템.
   
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제2 분기 냉각수 라인에 설치된 냉각 대상 부품의 발열량이 상기 제1 분기 냉각수 라인에 설치된 냉각 대상 부품의 발열량에 비해 더 큰 것을 특징으로 하는 전기자동차의 냉각 시스템.
    
11. 청구항 9에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 제2 온도센서에 의해 검출된 냉각 대상 부품의 온도로부터 그에 해당하는 제1 펌프의 목표 회전수를 설정 데이터를 이용하여 결정하고,
    상기 결정된 제1 펌프의 목표 회전수의 '(100-α)% (여기서, α는 미리 설정되는 여유값임)'에 해당하는 회전수를, 상기 제2 펌프의 목표 회전수로 결정하며,
    상기 제1 펌프 및 제2 펌프의 회전수를 상기 결정된 해당 펌프의 목표 회전수로 제어하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 냉각 시스템.
    
12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제어기는 상기 제1 펌프의 목표 회전수의 90%를 상기 제2 펌프의 목표 회전수로 결정하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 냉각 시스템.
    
13. 청구항 8에 있어서,
    상기 제2 펌프가 제2 분기 냉각수 라인에 설치되고,
    상기 제어기는,
    상기 제1 온도센서 및 제2 온도센서에 의해 검출된 냉각 대상 부품의 온도를 기초로 미리 설정된 복수의 냉각 단계 중 현재의 냉각 요구 부하에 해당하는 냉각 단계를 결정하고,
    상기 결정된 냉각 단계에 해당하는 제1 펌프의 목표 회전수와 제2 펌프의 목표 회전수를 결정하며,
    상기 제1 펌프 및 제2 펌프의 회전수를 상기 결정된 해당 펌프의 목표 회전수로 제어하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 냉각 시스템.
    
14. 청구항 13에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 제1 온도센서 및 제2 온도센서에 의해 검출된 냉각 대상 부품의 온도가 모두 미리 설정된 기준온도를 초과하는 경우,
    상기 냉각 단계를 결정하고, 상기 결정된 냉각 단계에 해당하는 목표 회전수로 상기 각 펌프의 회전수를 제어하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 냉각 시스템.
    
15. 청구항 13에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 제1 분기 냉각수 라인에 설치된 냉각 대상 부품의 발열량과, 상기 제2 분기 냉각수 라인에 설치된 냉각 대상 부품의 발열량을 기초로 정해진 유량 비에 따라, 상기 제1 분기 냉각수 라인과 제2 분기 냉각수 라인으로 냉각수가 분배될 수 있는 회전수를 상기 제1 펌프의 목표 회전수와 제2 펌프의 목표 회전수로 결정하도록 된 것을 특징으로 하는 전기자동차의 냉각 시스템.
    
16. 청구항 15에 있어서,
    상기 유량 비는 상기 제2 분기 냉각수 라인에 대한 제1 분기 냉각수 라인의 유량 비로서 1.4이고, 상기 제2 펌프의 목표 회전수가 제1 펌프의 목표 회전수의 60 ~ 80%에 해당하는 값으로 정해지는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 냉각 시스템.
    
17. 청구항 15에 있어서,
    상기 제1 펌프의 목표 회전수는,
    미리 설정된 최소 회전수에 상기 결정된 냉각 단계의 단 수에 비례하는 값으로 정해지는 회전수를 합산한 값으로 결정되는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 냉각 시스템.
    
18. 청구항 15에 있어서,
    상기 제2 펌프의 목표 회전수는,
    상기 제1 펌프의 목표 회전수 100% 대비 상기 결정된 냉각 단계의 단 수(N)에 따라 정해지는 비율(%)에 해당하는 회전수로 결정되는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 냉각 시스템.

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