KR20240030544A - 배터리 온도관리와 공조를 통합한 차량의 제어시스템 - Google Patents

배터리 온도관리와 공조를 통합한 차량의 제어시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량에 장착되는 고전압배터리의 온도관리와 객실의 공조를 통합하여 제어토록 한 배터리 온도관리와 공조를 통합한 차량의 제어시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 배터리 온도관리와 공조를 통합한 차량의 제어시스템은, 냉각수가 순환되면서 차량에 설치된 배터리모듈(BM)이 정해진 온도범위가 되도록 하는 배터리온도관리유닛(10); 냉매의 순환방향에 따라 에어컨 또는 히트펌프로 작동하는 공조유닛(20); 상기 냉각수와 상기 냉매가 열교환하는 열교환유닛(30); 및 상기 배터리온도관리유닛(10)을 작동시키면서, 차량 실내의 냉방요구 및 난방요구에 따라 상기 공조유닛(20)을 상기 에어컨 또는 상기 히트펌프로 작동시키면서, 상기 냉매가 상기 열교환유닛(30)으로부터 선택적으로 흡열되도록 제어하는 제어부(40);를 포함한다.

Description

배터리 온도관리와 공조를 통합한 차량의 제어시스템{CONTROL SYSTEM OF VEHICLE INCORPORATING BATTERY THERMAL MANAGEMENT AND AIR CONDITIONING}
본 발명은 차량에 장착되는 고전압배터리의 온도관리와 객실의 공조를 통합하여 제어토록 한 배터리 온도관리와 공조를 통합한 차량의 제어시스템에 관한 것이다.
차량에는 승객이 탑승하는 객실에 대하여 공기조화를 하기 위한 공조시스템이 구비된다.
예컨대, 도 1에 도시된 바와 같이, 버스와 같이 대량의 승객을 수송하는 차량(100)에서는 차량의 루프에 공조시스템(120)이 구비된다.
최근에는 차량의 전동화로 인하여, 전력(電力)으로 구동되는 구동모터로 상기 차량의 보급이 확대되고 있고, 상기 버스와 같은 차량에서도 전기버스 등의 보급이 확대되고 있다. 상기 전기버스에서는 통상적으로 배터리모듈(BM)가 루프에 장착되고, 상기 배터리모듈(BM)를 냉각시키는 냉각수의 열을 방열시키기 위한 라디에이터(110)도 상기 루프에 설치된다.
상기 공조시스템(120)과 상기 배터리모듈(BM)가 상기 루프에 장착되지만, 상기 공조시스템(120)과 상기 배터리모듈(BM)의 온도를 제어하는 온도관리시스템이 독립적으로 작동되도록 구성되었다. 이에 따라, 상기 공조시스템(120)과 상기 배터리모듈(BM)의 온도관리제어시스템이 독립적으로 작동함에 따라, 어느 한 쪽의 냉방 또는 난방시 나머지 한 쪽의 도움을 받지 못하게 되므로, 각각의 시스템은 용량이 커져야 했고, 이는 원가 및 중량 증가를 유발하는 요인이 되었다.
KR 10-2020-0061426 A (2020.06.03, 명칭 : 에어컨　냉기를 이용한　전기버스　배터리 공조 시스템)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 차량의 고전압배터리의 온도를 제어하는 온도관리시스템의 냉각수와 객실의 공조를 위한 공조시스템의 냉매가 열교환을 하도록 하여, 상기 온도관리시스템과 상기 공조시스템이 서로 보완하여 작동할 수 있도록 한배터리 온도관리와 공조를 통합한 차량의 제어시스템을 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 온도관리와 공조를 통합한 차량의 제어시스템은, 냉각수가 순환되면서 차량에 설치된 배터리모듈이 정해진 온도범위가 되도록 하는 배터리온도관리유닛; 냉매의 순환방향에 따라 에어컨 또는 히트펌프로 작동하는 공조유닛; 상기 냉각수와 상기 냉매가 열교환하는 열교환유닛; 및 상기 배터리온도관리유닛을 작동시키면서, 차량 실내의 냉방요구 및 난방요구에 따라 상기 공조유닛을 상기 에어컨 또는 상기 히트펌프로 작동시키면서, 상기 냉매가 상기 열교환유닛으로부터 선택적으로 흡열되도록 제어하는 제어부;를 포함한다.
상기 열교환유닛은, 상기 배터리온도관리유닛에서 냉각수가 순환하는 냉각수라인이 통과하고, 상기 배터리모듈로부터 전력이 공급되며, 상기 제어부로부터 작동신호가 입력되면 승온되는 히터; 및 상기 냉각수라인에 상기 히터와 이격되어 설치되고, 상기 냉매가 순환되는 공조라인이 통과하는 칠러;를 포함하고, 상기 냉매가 상기 냉각수로부터 흡열이 필요하면, 상기 공조유닛으로부터 상기 냉매가 상기 칠러로 공급되는 것을 특징으로 한다.
상기 공조유닛은, 냉매가 순환되고, 컴프레서, 방향절환밸브, 상기 차량의 외측에 설치되는 실외열교환기, 팽창밸브 및 상기 차량의 실내에 설치되는 실내열교환기가 순차적으로 설치되는 제1공조라인과, 상기 제1공조라인으로부터 분기되어 또 다른 팽창밸브와 상기 칠러를 통과는 제2공조라인과, 상기 제1공조라인과 상기 제2공조라인을 연결하는 제3공조라인을 포함하고, 상기 제어부는, 상기 차량의 실내로부터 냉방요구가 있으면 상기 제1공조라인을 통하여 냉매를 순환시켜 에어컨으로 작동시키고, 상기 차량의 실내로부터 난방 요구가 있으면 상기 제1공조라인을 통하여 상기 냉매를 순환시켜 히트펌프로 작동시키며, 상기 냉매가 흡열이 필요하면, 상기 제2공조라인을 통하여 냉매를 순환시켜 에어컨으로 작동시키는 것을 특징으로 한다.
상기 제1공조라인에서 상기 실외열교환기와 상기 실내열교환기 사이에 제1팽창밸브와 제2팽창밸브가 상기 실외열교환기로부터 상기 실내열교환기 쪽으로 순차적으로 설치되고, 상기 제1팽창밸브와 상기 제2팽창밸브 사이에 제1경로제어밸브가 설치되며, 상기 제2공조라인은 상기 제1경로제어밸브와 상기 제2팽창밸브 사이에서 상기 제1공조라인으로부터 분기되고, 상기 실내열교환기와 상기 방향절환밸브 사이에서 상기 제1공조라인에 합류되며, 상기 제2공조라인에서 상기 제1공조라인으로부터 분기되는 지점과 상기 칠러 사이에 제3팽창밸브가 설치되고, 상기 제2공조라인에서 상기 칠러와 상기 제2공조라인이 상기 제1공조라인에 합류되는 지점 사이에 제2경로제어밸브가 설치되며, 상기 제3공조라인은 상기 제1공조라인에서 상기 방향절환밸브와 상기 실외열교환기 사이와 상기 제2공조라인에서 상기 칠러와 상기 제2경로제어밸브 사이를 연결하고, 상기 제3공조라인에 제3경로제어밸브가 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는, 상기 실내로부터 냉방요구가 있으면, 상기 공조유닛에서 상기 냉매가 상기 컴프레서로부터 상기 실외열교환기와 상기 실내열교환기를 거쳐 상기 컴프레서로 순환하면서, 상기 제2팽창밸브에서 팽창되게 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는, 상기 배터리모듈로부터 냉각요구가 있으면, 상기 공조유닛에서 상기 냉매가 상기 컴프레서로부터 상기 실외열교환기와 상기 칠러를 거쳐 상기 컴프레서로 순환하면서, 상기 제3팽창밸브에서 팽창되게 제어하고, 상기 배터리온도관리유닛은 상기 냉각수라인을 통하여 냉각수를 순환시키는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는, 상기 실내로부터 냉방요구가 있으면서, 상기 배터리모듈로부터 냉각요구가 있으면, 상기 냉매의 일부가 상기 컴프레서로부터 상기 실외열교환기와 상기 실내열교환기를 거쳐 상기 컴프레서로 순환하면서, 상기 제2팽창밸브에서 팽창되게 제어하고, 상기 냉매의 나머지는 상기 컴프레서로부터 상기 실외열교환기와 상기 칠러를 거쳐 상기 컴프레서로 순환하면서, 상기 제3팽창밸브에서 팽창되게 제어하면서, 상기 배터리온도관리유닛은 상기 냉각수라인을 통하여 냉각수를 순환시키는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는, 상기 차량의 실내로부터 난방요구가 있으면, 상기 냉매가 상기 컴프레서로부터 상기 실내열교환기와 상기 실외열교환기를 거쳐 상기 컴프레서로 순환하면서, 상기 제1팽창밸브에서 팽창되게 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는, 상기 차량의 실내로부터 난방요구가 있으면서, 외기의 온도가 상기 실외열교환기에서 상기 냉매가 증발하지 못하는 온도이면, 상기 냉매가 상기 컴프레서로부터 상기 실내열교환기와 상기 칠러를 거쳐 상기 컴프레서로 순환하면서, 상기 제3팽창밸브에서 팽창되게 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는, 상기 실내로부터 난방요구가 있으면서, 상기 배터리모듈로부터 승온요구가 있고, 외기의 온도가 상기 실외열교환기에서 상기 냉매가 증발하지 못하는 온도이면, 상기 냉매가 상기 컴프레서로부터 상기 실내열교환기, 상기 제3팽창밸브, 상기 칠러를 거쳐 상기 컴프레서로 복귀하도록 제어하면서, 상기 히터로 전원을 인가하고, 상기 냉각수라인에서 냉각수를 순환시키는 것을 특징으로 한다.
상기 배터리모듈은 복수로 마련되어 서로 병렬로 배열되고, 각각의 배터리모듈마다 상기 배터리온도관리유닛, 상기 열교환유닛 및 상기 공조유닛이 구비되는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는, 상기 실내로부터 냉방요구가 있으면서, 일부 배터리모듈로부터 냉각요구가 있으면, 냉각요구가 입력된 배터리모듈과 연계된 상기 배터리온도관리유닛, 상기 열교환유닛 및 상기 공조유닛과, 냉각요구가 입력되지 않은 배터리모듈과 연계된 상기 배터리온도관리유닛, 상기 열교환유닛 및 상기 공조유닛을 독립적으로 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는, 상기 실내로부터 냉방요구가 있으면서, 일부 배터리모듈로부터 냉각요구가 있으면, 냉각요구가 입력된 배터리모듈과 연계된 상기 배터리온도관리유닛, 상기 열교환유닛 및 상기 공조유닛은, 상기 냉매가 상기 컴프레서, 상기 실외열교환기, 상기 제2팽창밸브 및 상기 실내열교환기를 거쳐 상기 컴프레서로 복귀하도록 제어하고, 냉각요구가 입력되지 않은 배터리모듈과 연계된 상기 배터리온도관리유닛, 상기 열교환유닛 및 상기 공조유닛은, 상기 냉매가 상기 컴프레서, 상기 실외열교환기, 상기 제3팽창밸브 및 상기 칠러를 거쳐 상기 컴프레서로 복귀하도록 제어하고, 상기 냉각수라인을 통하여 냉각수를 순환하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 배터리 온도관리와 공조를 통합한 차량의 제어시스템에 따르면, 배터리 온도관리시스템의 냉각수와 공조시스템의 냉매가 열교환이 가능토록 함으로써, 상기 배터리 온도관리시스템과 상기 공조시스템의 용량을 증대시키지 않아도 각각의 성능이 향상되도록 한다.
상기 배터리 온도관리시스템과 상기 공조시스템의 크기가 키우지 않고 성능이 향상되도록 함으로써, 차량의 중량과 생산 원가를 절감시킬 수 있다.
도 1은 종래기술에 따라 차량의 루프에 배터리와 에어컨이 독립적으로 설치된 상태를 도시한 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 배터리 온도관리와 공조를 통합한 차량의 제어시스템을 도시한 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 배터리 온도관리와 공조를 통합한 차량의 제어시스템이 실내냉방모드로 작동시의 상태를 도시한 개략도.
도 4는 본 발명에 따른 배터리 온도관리와 공조를 통합한 차량의 제어시스템이 실내냉방 및 통합배터리냉각 모드로 작동시의 상태를 도시한 개략도.
도 5는 본 발명에 따른 배터리 온도관리와 공조를 통합한 차량의 제어시스템이 배터리냉각모드로 작동시의 상태를 도시한 개략도.
도 6은 본 발명에 따른 배터리 온도관리와 공조를 통합한 차량의 제어시스템이 실내냉방 및 개별배터리냉각 모드로 작동시의 상태를 도시한 개략도.
도 7은 본 발명에 따른 배터리 온도관리와 공조를 통합한 차량의 제어시스템이 제1실내난방모드로 작동시의 상태를 도시한 개략도.
도 8은 본 발명에 따른 배터리 온도관리와 공조를 통합한 차량의 제어시스템이 제2실내난방모드로 작동시의 상태를 도시한 개략도.
도 9는 본 발명에 따른 배터리 온도관리와 공조를 통합한 차량의 제어시스템이 실내난방 및 배터리승온모드로 작동시의 상태를 도시한 개략도.
이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 배터리 온도관리와 공조를 통합한 차량의 제어시스템에 대하여 자세히 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 배터리 온도관리와 공조를 통합한 차량의 제어시스템은, 냉각수가 순환되면서 차량에 설치된 배터리모듈(BM)이 정해진 온도범위가 되도록 하는 배터리온도관리유닛(10)과, 냉매의 순환방향에 따라 에어컨 또는 히트펌프로 작동하는 공조유닛(20)과, 상기 냉각수와 상기 냉매가 열교환하는 열교환유닛(30)과, 상기 배터리온도관리유닛(10)을 작동시키면서, 차량 실내의 냉방요구 및 난방요구에 따라 상기 공조유닛(20)을 상기 에어컨 또는 상기 히트펌프로 작동시키면서, 상기 냉매가 상기 열교환유닛(30)으로부터 선택적으로 흡열되도록 제어하는 제어부(40)를 포함한다.
배터리온도관리유닛(10)은 상기 차량에 설치된 배터리모듈(BM)로 냉각수를 순환시켜, 상기 배터리모듈(BM)이 적정한 온도를 유지토록 한다.
통상적으로 상기 배터리모듈(BM)은 충전중 또는 방전중 열이 발생한다. 상기 배터리모듈(BM)의 온도가 상승한 경우, 상기 배터리모듈(BM)로 냉각된 냉각수를 공급하여, 상기 배터리모듈(BM)이 적정 온도를 유지하도록 한다. 아울러, 외기의 온도가 너무 낮으면, 상기 냉각수를 승온시켜 상기 배터리모듈(BM)로 공급함으로써, 상기 배터리모듈(BM)이 적정 온도로 승온되어 상기 배터리모듈(BM)이 효율적으로 작동되도록 한다.
상기 배터리모듈(BM)은 배터리셀(B)이 적층되어 이루어진다. 상기 배터리모듈(BM)은 상기 차량의 요구출력 등에 따라 상기 차량의 필요한 용량을 충족하도록 복수로 설치될 수 있다. 도 2 내지 도 9에는 상기 배터리모듈(BM)이 2개로 설치된 예가 도시되어 있다.
상기 배터리온도관리유닛(10)은 상기 배터리모듈(BM)을 통과하고 내부에 냉각수가 유동하는 폐루프의 냉각수라인(C)에 상기 배터리모듈(BM)을 적정 온도로 관리할 수 있도록 하는 구성요소가 구비된다.
상기 냉각수라인(C)은 상기 배터리모듈(BM)과 동수로 설치되어, 각각의 배터리모듈(BM)이 독립적으로 온도가 제어되도록 구성되는 것이 바람직하다. 이는 각각의 배터리모듈(BM)의 온도 사이에 온도편차가 발생하거나, 어느 하나의 배터리모듈(BM)의 냉각부하가 더 필요한 경우, 용이하게 상기 배터리모듈(BM)의 온도를 관리하기 위함이다.
냉각수탱크(11)는 냉각수가 저장된다. 상기 냉각수탱크(11)는 상기 냉각수라인(C)에 냉각수를 공급한다.
라디에이터(12)는 상기 냉각수라인(C)이 통과하도록 설치되어, 상기 냉각수를 방열시킨다. 상기 라디에이터(12)의 일측에는 방열을 촉진시키기 위한 팬(미도시)이 설치된다.
펌프(13)는 상기 냉각수라인(C)에서 상기 냉각수를 순환시킨다.
삼방밸브(14)는 냉각수라인(C)에 설치되어 상기 냉각수가 상기 라디에이터(12)에 통과하거나, 상기 라디에이터(12)를 우회하도록 제어한다. 상기 삼방밸브(14)는 상기 냉각수의 온도가 상기 배터리모듈(BM)을 냉각시키기 충분하도록 낮거나, 외기의 온도가 높아 상기 냉각수가 상기 라디에이터(12)에서 흡열되는 경우, 상기 라디에이터(12)를 우회하도록 한다. 또한, 상기 삼방밸브(14)는 외기의 온도가 상기 냉각수의 온도보다 낮고, 상기 냉각수를 충분히 냉각시켜야 할 때, 상기 냉각수가 상기 라디에이터(12)를 통과하도록 한다.
상기 냉각수라인(C)은 후술되는 열교환유닛(30)의 히터(31)와 칠러(32)도 설치된다.
이에 따라, 상기 냉각수는 상기 펌프(13), 상기 칠러(32), 상기 히터(31), 상기 배터리모듈(BM) 및 삼방밸브(14)를 통하여 상기 펌프(13)로 복귀하도록 순환한다. 또는 상기 삼방밸브(14)을 통과한 다음 상기 라디에이터(12)를 거쳐 상기 펌프(13)로 복귀하도록 순환한다.
이에 따라, 상기 배터리모듈(BM)의 에서 발생한 열은 상기 냉각수로 흡열되고, 상기 냉각수는 상기 라디에이터(12) 또는 상기 칠러(32)에서 냉각되어, 적정 온도를 유지한다.
공조유닛(20)은 냉매가 유동하는 복수의 공조라인(A1)(A2)(A3)을 구비하고, 상기 공조라인(A1)(A2)(A3)에 냉매를 순환시켜 상기 차량의 실내를 냉방하거나 난방하도록 한다.
상기 공조유닛(20)은 상기 냉매가 순환하면서, 에어컨모드로 작동하거나 히트펌프모드로 작동하는 제1공조라인(A1)이 구비된다. 상기 제1공조라인(A1)에 상기 냉매를 가압하는 컴프레서(21), 실외열교환기(22), 실내열교환기(23) 및 방향절환밸브(27)가 설치된다. 상기 실외열교환기(22)와 상기 실내열교환기(23)는 각각 상기 차량의 외측과 실내에 설치되고, 상기 실외열교환기(22)는 외기와 열교환하고, 상기 실내열교환기(23)는 상기 차량의 실내공기와 열교환 한다.
상기 방향절환밸브(27)는 4방밸브(4 way valve)가 되고, 상기 컴프레서(21)와 인접하게 설치되며, 상기 제1공조라인(A1)의 양단이 연결됨으로써, 상기 냉매의 순환방향을 절환시켜 상기 공조유닛(20)이 냉방을 위한 에어컨모드로 작동하거나, 난방을 위한 히트펌프모드로 작동하도록 한다.
상기 제1공조라인(A1)에서 상기 실외열교환기(22)와 상기 실내열교환기(23) 사이에 상기 실외열교환기(22)로부터 상기 실내열교환기(23) 쪽으로 상기 제1팽창밸브(24)가 상기 제2팽창밸브(25)가 순차적으로 설치된다. 상기 제1공조라인(A1)에서 상기 제1팽창밸브(24)와 상기 제2팽창밸브(25) 사이에 제1경로제어밸브(28a)가 구비된다.
상기 방향절환밸브(27)는 상기 컴프레서(21)로부터 토출된 냉매의 방향을 절환하여, 상기 공조유닛(20)이 에어컨모드로 작동하거나 히트펌프모드로 작동되도록 한다.
제2공조라인(A2)은 제1공조라인(A1)으로부터 분기되어 상기 칠러(32)를 통과하도록 구비되어, 상기 실내열교환기(23)와 칠러(32)가 병렬로 배치되도록 한다. 상기 제2공조라인(A2)은 상기 제1공조라인(A1)에서 상기 제1경로제어밸브(28a)와 제2팽창밸브(25) 사이에서 분기하여, 상기 칠러(32)를 통과한 후, 상기 실내열교환기(23)와 상기 방향절환밸브(27) 사이에서 상기 제1공조라인(A1)으로 합류된다.
상기 제2공조라인(A2)에서 상기 제1공조라인(A1)으로부터 분기되는 지점과 상기 칠러(32) 사이에 제3팽창밸브(26)가 설치되고, 상기 칠러(32)와 상기 제1공조라인(A1)으로 합류되는 지점 사이에 제2경로제어밸브(28b)가 설치된다.
제3공조라인(A3)은 상기 제1공조라인(A1)과 상기 제2공조라인(A2)을 연결하도록 설치되어, 상기 공조유닛(20)이 히트펌프(13)로 작동할 때, 냉매의 경로를 형성하도록 한다. 상기 제3공조라인(A3)은 상기 제1공조라인(A1)에서 상기 방향절환밸브(27)와 상기 실외열교환기(22) 사이와 상기 제2공조라인(A2)에서 상기 칠러(32)와 상기 제2경로제어밸브(28b) 사이를 연결한다. 상기 제3공조라인(A3)에 제3경로제어밸브(28c)가 설치된다. 상기 제3경로제어밸브(28c)는 상기 공조유닛(20)이 에어컨모드로 작동하는 경우에는 폐쇄되고, 상기 공조유닛(20)이 히트펌프(13)로 작동하는 경우에는 개방된다.
열교환유닛(30)은 상기 배터리온도관리유닛(10)의 냉각수와 상기 공조유닛(20)의 냉매가 열교환하도록 한다.
상기 열교환유닛(30)은 상기 냉각수를 승온시키는 히터(31)와, 상기 냉각수와 상기 냉매를 열교환시키는 칠러(32)를 포함한다.
히터(31)는 상기 배터리모듈(BM)의 전력을 작동하여, 작동을 위한 제어신호가 인가되면, 발열하여 상기 히터(31)를 통과하는 냉각수를 승온시킨다. 상기 배터리모듈(BM)의 온도가 매우 낮아, 상기 배터리모듈(BM)이 적정 성능을 발휘하지 못하는 경우, 상기 히터(31)를 작동시켜 상기 배터리모듈(BM)의 온도를 적정온도로 승온시킨다. 또는 상기 공조유닛(20)을 히트펌프로 작동시키기 위하여 상기 컴프레서(21)의 구동시키려는 경우, 냉매의 압력이 낮이 구동이 불가할 수 있는데, 상기 히터(31)의 열이 상기 칠러(32)를 통하여 상기 냉매로 전달되도록 함으로써, 상기 컴프레서(21)의 구동이 어시스트되도록 한다.
상기 칠러(32)는 상기 냉각수와 상기 냉매가 열교환한다. 상기 냉각수라인(C)와 상기 제2공조라인(A2)은 상기 칠러(32)를 통과하는 바, 상기 칠러(32)의 내부에서 상기 냉각수와 상기 냉매가 열교환한다. 예컨대, 상기 칠러(32)에서 상기 냉매는 상기 냉각수의 열을 흡열할 수 있다.
한편, 상기 배터리모듈(BM)이 복수로 설치되는 바, 상기 공조유닛(20) 및 상기 열교환유닛(30)도 이에 맞게 구성된다. 상기 배터리모듈(BM)이 복수로 설치됨에 따라, 상기 배터리온도관리유닛(10)에서는 상기 배터리모듈(BM)의 수만큼 상기 냉각수라인(C)이 설치되고, 각각의 상기 냉각수라인(C) 마다 상기 펌프(13), 상기 라디에이터(12), 상기 삼방밸브(14)를 설치하여, 각각의 배터리모듈(BM)의 온도가 관리되도록 한다. 또한, 각각의 냉각수라인(C) 마다 상기 열교환유닛(30)이 설치된다. 아울러, 각각의 열교환유닛(30)마다 서로 독립된 상태로 냉매가 순환되도록 공조유닛이 연결된다. 도 2에서 상기 공조유닛(20)에 서로 독립적으로 작동할 수 있는 공조유닛이 각각 설치되어 있다. 이에 따라, 특정 배터리모듈(BM)을 다른 배터리모듈(BM)과 다르게 제어할 수 있다. 예컨대, 어느 하나의 배터리모듈(BM)의 온도가 나머지 배터리모듈(BM)의 온도보다 높다면, 온도가 높은 배터리모듈(BM)에 연계된 공조유닛(20)이 냉매를 냉각시켜, 상기 냉각수가 상기 냉매에 의해 냉각된 상태로 상기 배터리모듈(BM)로 공급되도록 한다.
제어부(40)는 외기온도, 상기 배터리모듈(BM)의 온도, 실내의 냉방요구 및 난방요구에 따라, 상기 배터리온도관리유닛(10), 상기 공조유닛(20) 및 상기 열교환유닛(30)을 제어한다.
여기서, 실내의 냉방요구는 상기 차량의 실내로부터 에어컨 작동 버튼이 조작되거나, 상기 차량의 실내온도가 미리 설정된 온도보다 높아지는 것과 같이, 상기 차량의 실내에 대하여 냉방이 필요한 상태를 의미한다. 또한, 난방요구는 상기 차량의 실내로부터 히터 작동 버튼이 조작되거나, 상기 차량이 실내온도가 미리 설정된 온도보다 낮아지는 것과 같이, 상기 차량의 실내에 대하여 난방이 필요한 상태를 의미한다.
상기 제어부(40)는 미리 정해진 조건에 따라, 후술되는 실내냉방모드 내지 실내난방 및 배터리승온모드로 상기 배터리 온도관리와 공조를 통합한 차량의 제어시스템이 작동하도록 제어한다.
상기 제어부(40)는 각종 센서 또는 작동스위치의 출력값이 입력되고, 상기 제어부(40)에 저장된 로직에 따라, 상기 배터리 온도관리와 공조를 통합한 차량의 제어시스템을 제어한다.
상기 제어부(40)는 상기 배터리온도관리유닛(10)의 상기 펌프(13)를 제어하여, 상기 냉각수가 순환되도록 하고 상기 삼방밸브(14)를 제어하여 상기 냉각수가 상기 라디에이터(12)를 우회하거나 통과하도록 한다.
또한, 상기 제어부(40)는 상기 공조유닛(20)에서 상기 컴프레서(21)를 작동시켜, 상기 공조유닛(20)이 작동해야 하는 경우, 냉매가 압축되어 토출되도록 한다. 또한, 작동모드에 맞게 상기 제1경로제어밸브(28a), 상기 제2경로제어밸브(28b) 및 제3경로제어밸브(28c)를 개방 또는 폐쇄시키고, 상기 방향절환밸브(27)로 냉매의 순환방향을 제어하여, 상기 냉매가 순환하는 경로를 형성되도록 한다. 그리고, 상기 제어부(40)는 상기 제1팽창밸브(24), 상기 제2팽창밸브(25) 및 상기 제3팽창밸브(26)도 개방, 폐쇄 또는 팽창 상태가 되도록 제어한다.
아울러, 상기 제어부(40)는 상기 열교환유닛(30)은 상기 히터(31)로 작동을 위한 제어신호가 인가하여, 상기 히터(31)가 작동하도록 한다.
이하에서는 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 배터리 온도관리와 공조를 통합한 차량의 제어시스템의 작동을 도 3 내지 도 9을 이용하여 설명하기로 한다.
도 3 내지 도 9에 본 발명에 따른 배터리 온도관리와 공조를 통합한 차량의 제어시스템이 각각의 작동모드별로 작동하는 상태가 도시되어 있다.
상기 배터리온도관리유닛(10)에서는 상기 냉각수가 정해진 방향으로 순환되고, 모드에 따라 상기 칠러(32)에서 자연냉각된 상태로 순환되거나 상기 칠러(32)에서 냉매에 의해 냉각된 상태로 순환된다.
상기 공조유닛(20)에서 상기 제1경로제어밸브(28a), 상기 제2경로제어밸브(28b) 및 상기 제3경로제어밸브(28c)는 각각의 모드가 구형되도록 개방되는 폐쇄된다. 도 3 내지 도 9에서 상기 제1경로제어밸브(28a), 상기 제2경로제어밸브(28b) 및 상기 제3경로제어밸브(28c)는 개방된 상태를 내부가 백색으로 도시되어 있고, 폐쇄된 상태는 내부가 흑색으로 도시되어 있다.
또한, 각각의 모드에 따라, 상기 제1팽창밸브(24), 상기 제2팽창밸브(25), 또는 상기 제3팽창밸브(26)도 단순히 경로를 개폐하도록 개방 또는 폐쇄되고, 상기 냉매의 팽창이 필요한 경우 팽창밸브로서 작동한다. 모드에 따라서, 상기 제1팽창밸브(24), 상기 제2팽창밸브(25), 또는 상기 제3팽창밸브(26)는 어떠한 상태가 되어도 무관하다. 예컨대, 제2실내난방모드와 실내난방 및 배터리승온모드에서 상기 제1팽창밸브(24)는 냉매가 통과하지 않으므로 어떠한 상태가 되어도 무관하다.
아울러, 상기 실외열교환기(22), 상기 실내열교환기(23), 상기 칠러(32) 및 상기 히터(31)는 승온된 경우 "(H)", 냉각된 경우 "(C)"로 표시되어 있다. 상기 "(H)" 및 상기 "(C)"는 승온되거나 냉각된 상태를 도시한 것으로서, 동일한 문자로 표시되더라도 동일한 온도가 되는 것은 아니다.
1) 실내냉방모드
상기 냉각수만으로 상기 배터리모듈(BM)의 냉각이 가능한 상태에서, 상기 차량의 실내로부터 냉방요구가 있는 경우, 실내냉방모드가 수행된다(도 3 참조).
상기 냉각수만으로 상기 배터리모듈(BM)의 냉각이 가능한 상태는 상기 냉각수가 상기 배터리모듈(BM)로부터 상기 라디에이터(12) 또는 상기 칠러(32)를 통과하는 것만으로도 상기 배터리모듈(BM)이 미리 설정된 온도 범위를 유지할 수 있는 상태를 의미한다.
이 상태에서, 차량의 실내로부터 냉방요구가 있는 경우, 상기 실내냉방모드가 수행된다.
상기 실내냉방모드에서 상기 배터리온도관리유닛(10)은 상기 펌프(13)를 이용하여 상기 배터리모듈(BM)의 온도를 제어한다. 상기 펌프(13)가 구동하면, 상기 냉각수는 상기 펌프(13)로부터 토출되어 상기 칠러(32), 상기 배터리모듈(BM) 및 상기 삼방밸브(14)를 거쳐 상기 펌프(13)로 복귀하도록 순환한다. 또는 이 보다 냉각수의 온도가 높으면서 외기의 온도보다는 낮은 경우, 상기 펌프(13)로부터 토출되어 상기 칠러(32), 상기 배터리모듈(BM), 상기 삼방밸브(14) 및 상기 라디에이터(12)를 거쳐 상기 펌프(13)로 복귀하도록 순환한다. 상기 배터리온도관리유닛(10)은 외기와 자연냉각을 통하여 냉각수를 냉각시켜 순환시킴으로써, 상기 배터리모듈(BM)을 냉각시킨다.
상기 제어부(40)는 상기 실내냉방모드에서 상기 공조유닛(20)이, 상기 컴프레서(21)로부터
또한, 상기 제어부(40)는 상기 공조유닛(20)이 상기 냉매가 상기 컴프레서(21), 상기 실외열교환기(22), 상기 제2팽창밸브(25), 상기 실내열교환기(23) 및 상기 방향절환밸브(27)를 거쳐 상기 컴프레서(21)로 복귀하도록 제어하고, 상기 제2팽창밸브(25)에서 냉매가 팽창되도록 한다. 이를 위하여, 상기 제어부(40)는 상기 제1팽창밸브(24)는 개방시키고, 상기 제3팽창밸브(26)는 폐쇄시키며, 상기 제1경로제어밸브(28a)는 개방시키고, 상기 제2경로제어밸브(28b)와 상기 제3경로제어밸브(28c)는 폐쇄시킨다. 이 상태에서, 상기 컴프레서(21)를 작동시키면, 상기 실외열교환기(22)는 콘덴서로 작동하고, 상기 실내열교환기(23)는 증발기로 작동하여 상기 차량의 실내를 냉방시킬 수 있다.
2) 실내냉방 및 통합배터리냉각 모드
상기 차량의 실내로부터 냉방요구가 있으면서, 상기 배터리모듈(BM)에 대한 배터리냉각요구가 있는 경우, 실내냉방 및 통합배터리냉각 모드가 수행된다.
여기서, 배터리냉각요구는 상기 배터리모듈(BM)의 온도 또는 상기 배터리모듈(BM)을 통과하여 순환하는 상기 냉각수의 온도가 미리 설정된 온도보다 높아 상기 배터리모듈(BM)의 냉각이 필요한 상태를 의미한다.
상기 실내냉방 및 통합배터리냉각 모드에서는 전체 배터리모듈(BM)에 대하여 배터리냉각요구가 있는 경우 수행된다.
하절기에는 상기 차량의 실내에 냉방요구가 있어 실내 냉방이 필요하다. 또한, 상기 배터리모듈(BM)은 상기 구동모터에 전력을 공급함에 따라 열이 발생하고, 하절기에는 외기온이 높아 상기 칠러(32), 상기 라디에이터(12)를 통한 방열 성능이 저하되기 때문에, 추가적으로 상기 냉각수를 냉각시킬 필요가 있다. 이와 같이, 상기 실내로부터 냉방요구가 있으면서 상기 배터리모듈(BM)의 냉각이 필요하면, 실내냉방 및 통합배터리냉각 모드가 수행된다.
상기 제어부(40)는 상기 배터리온도관리유닛(10)는 앞서 설명한 실내냉방모드와 배터리냉각 모드와 동일하게 제어한다. 즉, 상기 펌프(13)가 상기 냉각수를 순환시켜, 상기 펌프(13), 상기 칠러(32), 상기 히터(31), 상기 배터리모듈(BM)로 유입되도록 하고, 상기 배터리모듈(BM)로부터 배출된 냉각수는 상기 삼방밸브(14)를 거쳐 상기 펌프(13)로 복귀하거나, 상기 삼방밸브(14)와 상기 라디에이터(12)를 거쳐 상기 펌프(13)로 복귀하도록 작동한다. 상기 배터리모듈(BM)의 냉각이 필요하므로, 상기 히터(31)는 작동하지 않는다.
상기 제어부(40)는 상기 공조유닛(20)와 상기 열교환유닛(30)이 모두 냉매를 통하여 상기 차량의 실내와 상기 칠러(32)를 냉각시킬 수 있도록 한다. 상기 제어부(40)는 상기 냉매가 상기 컴프레서(21), 상기 실외열교환기(22), 상기 제2팽창밸브(25), 상기 실내열교환기(23) 및 상기 방향절환밸브(27)를 거쳐 상기 컴프레서(21)로 복귀하도록 하고, 상기 제2팽창밸브(25)에서 냉매가 팽창되도록 한다.
또한, 상기 제어부(40)는 냉매가 상기 컴프레서(21)로부터 상기 방향절환밸브(27), 상기 실외열교환기(22), 상기 제3팽창밸브(26)를 통과한 후, 상기 열교환유닛(30)의 상기 칠러(32)를 거쳐 상기 컴프레서(21)로 순환되도록 하면서, 상기 제3팽창밸브(26)에서 냉매의 팽창이 진행되도록 한다.
이를 위하여, 상기 제어부(40)는 상기 제1팽창밸브(24)는 개방시키고, 상기 제1경로제어밸브(28a)와 상기 제2경로제어밸브(28b)는 개방시키며, 상기 제3경로제어밸브(28c)는 폐쇄시킨다.
상기 컴프레서(21)가 작동함에 따라, 상기 실외열교환기(22)는 콘덴서로 작동하고, 상기 실내열교환기(23)와 상기 칠러(32)가 각각 증발기로 작동한다. 상기 실내열교환기(23)를 통하여 상기 차량의 실내로 냉기를 공급하여, 상기 차량의 실내를 냉방시킬 수 있다. 또한, 상기 칠러(32)에서 상기 칠러(32)를 통과하는 냉각수의 열을 흡열함으로써, 상기 배터리모듈(BM)의 냉각이 촉진되도록 한다.
3) 배터리냉각모드
상기 배터리모듈(BM)은 충전시 많은 열이 발생한다. 충전효율 향상 및 배터리열화 방지를 위하여 상기 배터리냉각요구가 있는 경우 상기 배터리모듈(BM)을 냉각하기 위한 배터리냉각모드가 수행될 수 있다(도 4 참조).
상기 배터리모듈(BM)의 충전시에는 통상적으로 승객이 탑승하지 않은 상태이므로, 상기 배터리냉각모드에서는 공조유닛(20)의 냉방능력을 상기 배터리모듈(BM)의 냉각에 이용되도록 한다.
상기 제어부(40)는 상기 배터리온도관리유닛(10)에서 냉각수가 순환하도록 상기 펌프(13)를 작동시킨다. 상기 냉각수는 상기 펌프(13), 상기 칠러(32), 상기 히터(31)를 거쳐 상기 배터리모듈(BM)을 통과한다. 상기 배터리모듈(BM)을 통과한 냉각수는 상기 삼방밸브(14)를 거쳐 바로 상기 펌프(13)로 복귀하거나, 상기 삼방밸브(14)에서 상기 라디에이터(12)를 거쳐 상기 펌프(13)로 복귀하도록 순환한다. 이때, 상기 배터리모듈(BM)의 냉각이 필요하므로 상기 히터(31)는 작동하지 않고, 상기 칠러(32)는 아래와 같이 냉매에 의해 냉각되므로 상기 칠러(32)를 통과하는 냉각수는 냉각되어 상기 배터리모듈(BM)로 저온의 냉각수를 공급한다.
상기 제어부(40)는 상기 공조유닛(20)과 상기 열교환유닛(30)이 상기 냉각수를 냉각시키도록 한다. 상기 제어부(40)는 상기 공조유닛(20)에서 냉매가 상기 컴프레서(21)로부터 상기 방향절환밸브(27), 상기 실외열교환기(22), 상기 제3팽창밸브(26)를 통과한 후, 상기 열교환유닛(30)의 상기 칠러(32)를 거쳐 상기 컴프레서(21)로 순환되도록 하면서, 상기 제3팽창밸브(26)에서 냉매의 팽창이 진행되도록 한다. 이를 위하여, 상기 제어부(40)는 상기 제1팽창밸브(24)는 개방시키고, 상기 제2팽창밸브(25)는 폐쇄시킨다. 또한, 상기 제1경로제어밸브(28a)는 개방시키고, 상기 제2경로제어밸브(28b)는 개방시키며, 상기 제3경로제어밸브(28c)는 폐쇄시킨다.
상기 냉매는 상기 컴프레서(21), 상기 실외열교환기(22), 상기 제3팽창밸브(26) 및 상기 칠러(32)를 거쳐 상기 컴프레서(21)를 순환하는 냉동사이클이 구성된다. 이에 따라, 상기 실외열교환기(22)는 콘덴서 역할을 하고, 상기 칠러(32)는 증발기 역할을 하면서, 냉각된 상기 칠러(32)에서 상기 냉각수의 열을 흡열하여 상기 배터리모듈(BM)의 냉각이 촉진되도록 한다.
상기 배터리냉각모드에서는 상기 배터리모듈(BM)에서 발생한 많은 양의 열을 방열시키기 위하여, 상기 펌프(13)의 출력을 높여 작동시키면서, 상기 냉각수가 상기 칠러(32)를 통과하도록 한다.
4) 실내냉방 및 개별배터리냉각 모드
상기 차량에 복수로 장착되는 상기 배터리모듈(BM)은 각각의 부하에 따라 필요한 냉각부하도 달라질 수 있다. 각각의 상기 배터리모듈(BM)은 기본적으로 상기 차량의 주행에 필요한 구동모터로 전력을 공급하고, 추가적으로 상기 차량의 각종 장치로도 작동에 필요한 전력을 공급한다. 차량의 각종 장치로 공급되는 전력은 복수의 상기 배터리모듈(BM) 중 일부 배터리모듈(BM)로부터 공급될 수 있어, 각각의 상기 배터리모듈(BM)은 서로 부하가 다를 수 있고, 이중에서 부하가 높은 배터리모듈(BM)은 냉각부하도 높아진다. 예컨대, 하절기에 상기 공조유닛(20)으로 전력을 공급하는 배터리모듈(BM)은 부하가 높아 상대적으로 다른 배터리모듈(BM)에 비하여 온도가 높아질 수 있다.
이렇게 상기 배터리모듈(BM)간 서로 다른 냉각부하가 다른 경우, 냉각부하가 높은 배터리모듈(BM)로는 상기 칠러(32)를 통하여 더욱 냉각된 냉각수가 공급되도록 하고, 냉각부하가 높지 않은 배터리모듈(BM)로는 외기와 열교환한 냉각수를 공급되도록 하는 개별배터리냉각 모드가 수행되도록 한다(도 6 참조).
도 6에서 좌측에 도시된 배터리모듈(BM)의 온도가 높아 우측에 도시된 배터리모듈(BM) 보다 냉각부하가 큰 경우, 좌측에 도시된 배터리모듈(BM)로는 상기 칠러(32)에서 냉각된 냉각수를 공급하고, 우측에 도시된 배터리모듈(BM)로는 외기와 자연냉각을 통하여 냉각된 냉각수가 공급되도록 한다.
즉, 좌측에 도시된 배터리모듈(BM)로 냉각수를 공급하기 위한 상기 배터리온도관리유닛(10)의 구성요소와 이에 연계된 상기 공조유닛(20) 및 상기 배터리온도관리유닛(10)은 상기 실내냉방 및 통합배터리냉각 모드에서와 같이 작동하여, 상기 배터리모듈(BM)로 상기 칠러(32)에서 냉매에 의해 냉각된 냉각수가 유입되도록 한다.
한편, 우측에 도시된 배터리모듈(BM)로 냉각수를 공급하기 위한 상기 배터리온도관리유닛(10)의 구성요소와 이에 연계된 상기 공조유닛(20) 및 상기 배터리온도관리유닛(10)은 상기 실내냉방모드에서와 같이 작동하여, 상기 배터리모듈(BM)로 상기 칠러(32)에서 외기와 열교환하여 자연 냉각된 냉각수가 유입되도록 한다.
상기 실내냉방 및 개별배터리냉각 모드에서 상기 제어부(40)는 상기 공조유닛(20) 및 상기 열교환유닛(30)의 각 구성요소를 개별적으로 제어한다. 즉, 상기 공조유닛(20) 및 상기 열교환유닛(30)은 서로 독립된 2개의 냉매회로가 각각 도시되어 있는데, 상기 냉매회로는 연계되는 배터리모듈에 따라 서로 다르게 작동되도록 제어된다.
5) 제1실내난방모드
동절기에 상기 차량의 실내를 난방해야 하는 경우와 같이 차량의 실내로부터 난방요구가 있는 경우, 상기 공조유닛(20)이 히트펌프로 작동하도록 제1실내난방모드가 수행된다(도 7참조).
동절기에서 난방부하가 매우 크지 않은 경우(예컨대, 5℃ 이상에서 난방이 필요한 경우), 상기 공조유닛(20)이 히트펌프(13)로 작동하도록 한다.
상기 배터리온도관리유닛(10)은 통상적인 배터리모듈(BM)의 냉각시와 같이 제어된다. 즉, 배터리냉각모드와 같이, 냉각수가 순환하도록 제어된다.
상기 제어부(40)는 상기 공조유닛(20)이 히트펌프(13)로 작동하도록 상기 냉매가 상기 컴프레서(21)로부터 토출되어, 상기 방향절환밸브(27), 상기 실내열교환기(23), 상기 제1팽창밸브(24), 상기 실외열교환기(22)를 거쳐 상기 컴프레서(21)로 복귀하도록 하고, 상기 제1팽창밸브(24)에서 상기 냉매가 팽창되도록 한다.
이를 위하여, 상기 제어부(40)는 상기 제2팽창밸브(25)는 개방시키고, 상기 제3팽창밸브(26)는 폐쇄시키며, 상기 제1경로제어밸브(28a)는 개방시키고, 상기 제2경로제어밸브(28b)와 상기 제3경로제어밸브(28c)는 폐쇄시킨다.
이에 따라, 상기 실내열교환기(23)는 콘덴서로 작동하고 상기 실외열교환기(22)는 증발기로 작동하면서, 상기 실내열교환기(23)에서 상기 냉매의 열이 방열되면서 상기 실내를 난방시킨다.
상기 제1실내난방모드는 동절기이지만, 외기의 온도가 상기 실외열교환기(22)가 증발기로 작동할 수 있는 온도이상에서 작동한다.
6) 제2실내난방모드
제2실내난방모드는 차량의 실내로부터 난방요구가 있는 경우, 상기 공조유닛(20)과 상기 열교환유닛(30)이이 히트펌프로 작동하도록 하기 위해 수행된다. 상기 제2실내난방모드는 상기 제1실내난방모드가 수행될 때보다 상기 외기의 온도가 더 낮은 경우 수행되다. 외기의 온도가 너무 낮으면(예컨대, -5℃ ~ 5℃), 상기 실외열교환기(22)가 증발기로 작동하지 않거나, 증발기로 작동하더라도 성능이 저하되므로, 외기로부터 열을 흡수하여 상기 차량의 실내로 열을 공급하기에 부족하다. 따라서, 상기 제2실내난방모드는 외기대신에 상기 냉각수로부터 열을 흡수하여 상기 차량의 실내로 공급하도록 작동한다.
상기 배터리온도관리유닛(10)은 상기 제1실내난방모드에서와 같이 제어된다.
상기 제어부(40)는 상기 공조유닛(20)과 상기 열교환유닛(30)가 히트펌프(13)로 작동하도록 상기 냉매가 상기 컴프레서(21)로부터 상기 방향절환밸브(27), 상기 실내열교환기(23), 상기 제3팽창밸브(26) 및 상기 칠러(32)를 거쳐 상기 컴프레서(21)로 리턴되도록 제어하고, 상기 제3팽창밸브(26)에서 상기 냉매가 팽창되도록 한다.
이를 위하여, 상기 제어부(40)는 상기 제2팽창밸브(25)는 개방시키고, 상기 제1경로제어밸브(28a)와 상기 제2경로제어밸브(28b)는 폐쇄시키며, 상기 제3경로제어밸브(28c)는 개방시킨다. 상기 제1경로제어밸브(28a)가 폐쇄되어 있으므로 상기 제1팽창밸브(24)의 개폐여부와 상관없이 상기 실외열교환기(22)로는 냉매가 유동하지 않는다.
이에 따라, 상기 실내열교환기(23)는 콘덴서로 작동하고 상기 칠러(32)는 증발기로 작동하고, 상기 실외열교환기(22)는 증발기로서 작동하지 않는다. 상기 칠러(32)는 상기 냉각수로부터 흡열하여 상기 냉매로 전달함으로써, 상기 칠러(32)가 증발기로서 충분한 성능을 발휘할 수 있다. 상기 냉매는 상기 칠러(32)에서 열을 흡수하여 상기 실내열교환기(23)에서 방열하므로, 상기 차량의 실내를 난방시킨다.
7) 실내난방 및 배터리승온모드
실내난방 및 배터리승온모드는 상기 제2실내난방모드의 수행시 보다 외기의 온도가 더 낮은 경우(예컨대, -5℃ 이하), 수행된다. 이 상태는 상기 차량의 실내로부터 난방요구가 있을뿐더러, 상기 배터리모듈(BM)로부터 승온요구도 있다. 상기 승온요구는 외기의 온도가 매우 낮아, 상기 냉각수라인(C)의 냉각수를 승온시켜, 상기 배터리모듈(BM)의 승온시키면서, 상기 냉각수의 열이 상기 칠러(32)에서 상기 냉매로 흡열되도록 하여, 상기 냉매의 압력 상기 컴프레서(21)를 구동시킬 수 있을 정도로 높도록 하는 상태를 의미한다.
외기의 온도가 매우 낮은 상태이므로, 상기 냉각수로부터 열을 흡수하지 못한다. 이는 상기 공조유닛(20)과 상기 열교환유닛(30)을 히트펌프로 작동해야 할 때, 초기에 냉매압력이 낮아, 상기 컴프레서(21)가 구동이 불가할 수 있다.
이에 따라, 상기 실내난방 및 배터리승온모드에서는 상기 컴프레서(21)가 구동할 수 있도록 상기 냉각수를 상기 히터(31)를 통하여 상기 냉각수를 승온되도록 하여, 상기 냉각수의 열을 상기 냉매가 흡수하여, 상기 공조유닛(20)과 상기 열교환유닛(30)을 히트펌프로 작동하도록 한다.
상기 실내난방 및 배터리승온모드에서는 기본적으로 상기 냉각수와 상기 냉매가 상기 제2실내난방모드와 동일하게 유동하도록 제어된다.
여기에 추가적으로, 상기 히터(31)로 상기 배터리모듈(BM)의 전력을 공급하여, 상기 히터(31)를 통과하는 냉각수를 승온시켜, 상기 배터리모듈(BM)을 적정온도로 승온시킨다. 뿐만 아니라, 상기 히터(31)를 통과한 냉각수는 순환하여 상기 칠러(32)를 통과한다. 이에 따라, 상기 냉매는 상기 칠러(32)를 통과하는 동안 증발되면서 열을 흡수하여 상기 컴프레서(21)로 복귀하여, 상기 컴프레서(21)가 원활하게 작동하도록 한다.
한편, 상기 히터(31)와 상기 칠러(32)가 물리적으로 인접하게 위치하고 있다면 상기 히터(31)의 외측으로부터 상기 칠러(32)의 외측면으로 열전달되도록 하여, 상기 히터(31)가 상기 칠러(32)를 직접 승온시킬 수도 있다.
상기 배터리온도관리유닛(10)에서 승온된 냉각수가 순환하면서, 상기 배터리모듈(BM)은 최적 성능을 발휘할 수 있는 온도로 승온된다.
또한, 상기 공조유닛(20) 및 상기 배터리온도관리유닛(10)에서는 상기 제2실내난방모드과 같이, 상기 실내열교환기(23)는 콘덴서로 작동하고 상기 실외열교환기(22)는 증발기로 작동하면서, 상기 실내열교환기(23)에서 상기 냉매의 열이 방열되면서 상기 실내를 난방시킨다.
10 : 배터리온도관리유닛 11 : 냉각수탱크
12 : 라디에이터 13 : 냉각수펌프
14 : 삼방밸브 20 : 공조유닛
21 : 컴프레서 22 : 실외열교환기
23 : 실내열교환기 24 : 제1팽창밸브
25 : 제2팽창밸브 26 : 제3팽창밸브
27 : 방향절환밸브 28a : 제1경로제어밸브
28b : 제2경로제어밸브 29a : 제3경로제어밸브
30 : 열교환유닛 31 : 히터
32 : 칠러 40 : 제어부
100 : 버스 110 : 라디에이터
120 : 공조시스템 B : 배터리셀
BM : 배터리모듈 C : 냉각수라인
A1 : 제1공조라인 A2 : 제2공조라인
A3 : 제3공조라인

Claims (13)

  1. 냉각수가 순환되면서 차량에 설치된 배터리모듈이 정해진 온도범위가 되도록 하는 배터리온도관리유닛;
    냉매의 순환방향에 따라 에어컨 또는 히트펌프로 작동하는 공조유닛;
    상기 냉각수와 상기 냉매가 열교환하는 열교환유닛; 및
    상기 배터리온도관리유닛을 작동시키면서, 차량 실내의 냉방요구 및 난방요구에 따라 상기 공조유닛을 상기 에어컨 또는 상기 히트펌프로 작동시키면서, 상기 냉매가 상기 열교환유닛으로부터 선택적으로 흡열되도록 제어하는 제어부;
    를 포함하는 배터리 온도관리와 공조를 통합한 차량의 제어시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열교환유닛은,
    상기 배터리온도관리유닛에서 냉각수가 순환하는 냉각수라인이 통과하고, 상기 배터리모듈로부터 전력이 공급되며, 상기 제어부로부터 작동신호가 입력되면 승온되는 히터; 및
    상기 냉각수라인에 상기 히터와 이격되어 설치되고, 상기 냉매가 순환되는 공조라인이 통과하는 칠러;
    를 포함하고,
    상기 냉매가 상기 냉각수로부터 흡열이 필요하면, 상기 공조유닛으로부터 상기 냉매가 상기 칠러로 공급되는 것
    을 특징으로 하는 배터리 온도관리와 공조를 통합한 차량의 제어시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 공조유닛은,
    냉매가 순환되고, 컴프레서, 방향절환밸브, 상기 차량의 외측에 설치되는 실외열교환기, 팽창밸브 및 상기 차량의 실내에 설치되는 실내열교환기가 순차적으로 설치되는 제1공조라인과,
    상기 제1공조라인으로부터 분기되어 또 다른 팽창밸브와 상기 칠러를 통과는 제2공조라인과,
    상기 제1공조라인과 상기 제2공조라인을 연결하는 제3공조라인을 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 차량의 실내로부터 냉방요구가 있으면 상기 제1공조라인을 통하여 냉매를 순환시켜 에어컨으로 작동시키고, 상기 차량의 실내로부터 난방 요구가 있으면 상기 제1공조라인을 통하여 상기 냉매를 순환시켜 히트펌프로 작동시키며, 상기 냉매가 흡열이 필요하면, 상기 제2공조라인을 통하여 냉매를 순환시켜 에어컨으로 작동시키는 것
    을 특징으로 하는 배터리 온도관리와 공조를 통합한 차량의 제어시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1공조라인에서 상기 실외열교환기와 상기 실내열교환기 사이에 제1팽창밸브와 제2팽창밸브가 상기 실외열교환기로부터 상기 실내열교환기 쪽으로 순차적으로 설치되고,
    상기 제1팽창밸브와 상기 제2팽창밸브 사이에 제1경로제어밸브가 설치되며,
    상기 제2공조라인은 상기 제1경로제어밸브와 상기 제2팽창밸브 사이에서 상기 제1공조라인으로부터 분기되고, 상기 실내열교환기와 상기 방향절환밸브 사이에서 상기 제1공조라인에 합류되며,
    상기 제2공조라인에서 상기 제1공조라인으로부터 분기되는 지점과 상기 칠러 사이에 제3팽창밸브가 설치되고,
    상기 제2공조라인에서 상기 칠러와 상기 제2공조라인이 상기 제1공조라인에 합류되는 지점 사이에 제2경로제어밸브가 설치되며,
    상기 제3공조라인은 상기 제1공조라인에서 상기 방향절환밸브와 상기 실외열교환기 사이와 상기 제2공조라인에서 상기 칠러와 상기 제2경로제어밸브 사이를 연결하고,
    상기 제3공조라인에 제3경로제어밸브가 설치되는 것
    을 특징으로 하는 배터리 온도관리와 공조를 통합한 차량의 제어시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 실내로부터 냉방요구가 있으면,
    상기 공조유닛에서 상기 냉매가 상기 컴프레서로부터 상기 실외열교환기와 상기 실내열교환기를 거쳐 상기 컴프레서로 순환하면서, 상기 제2팽창밸브에서 팽창되게 제어하는 것
    을 특징으로 하는 배터리 온도관리와 공조를 통합한 차량의 제어시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 배터리모듈로부터 냉각요구가 있으면,
    상기 공조유닛에서 상기 냉매가 상기 컴프레서로부터 상기 실외열교환기와 상기 칠러를 거쳐 상기 컴프레서로 순환하면서, 상기 제3팽창밸브에서 팽창되게 제어하고, 상기 배터리온도관리유닛은 상기 냉각수라인을 통하여 냉각수를 순환시키는 것
    을 특징으로 하는 배터리 온도관리와 공조를 통합한 차량의 제어시스템.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 실내로부터 냉방요구가 있으면서, 상기 배터리모듈로부터 냉각요구가 있으면,
    상기 냉매의 일부가 상기 컴프레서로부터 상기 실외열교환기와 상기 실내열교환기를 거쳐 상기 컴프레서로 순환하면서, 상기 제2팽창밸브에서 팽창되게 제어하고,
    상기 냉매의 나머지는 상기 컴프레서로부터 상기 실외열교환기와 상기 칠러를 거쳐 상기 컴프레서로 순환하면서, 상기 제3팽창밸브에서 팽창되게 제어하면서,
    상기 배터리온도관리유닛은 상기 냉각수라인을 통하여 냉각수를 순환시키는 것
    을 특징으로 하는 배터리 온도관리와 공조를 통합한 차량의 제어시스템.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 차량의 실내로부터 난방요구가 있으면,
    상기 냉매가 상기 컴프레서로부터 상기 실내열교환기와 상기 실외열교환기를 거쳐 상기 컴프레서로 순환하면서, 상기 제1팽창밸브에서 팽창되게 제어하는 것
    을 특징으로 하는 배터리 온도관리와 공조를 통합한 차량의 제어시스템.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 차량의 실내로부터 난방요구가 있으면서, 외기의 온도가 상기 실외열교환기에서 상기 냉매가 증발하지 못하는 온도이면,
    상기 냉매가 상기 컴프레서로부터 상기 실내열교환기와 상기 칠러를 거쳐 상기 컴프레서로 순환하면서, 상기 제3팽창밸브에서 팽창되게 제어하는 것
    을 특징으로 하는 배터리 온도관리와 공조를 통합한 차량의 제어시스템.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 실내로부터 난방요구가 있으면서, 상기 배터리모듈로부터 승온요구가 있고, 외기의 온도가 상기 실외열교환기에서 상기 냉매가 증발하지 못하는 온도이면,
    상기 냉매가 상기 컴프레서로부터 상기 실내열교환기, 상기 제3팽창밸브, 상기 칠러를 거쳐 상기 컴프레서로 복귀하도록 제어하면서, 상기 히터로 전원을 인가하고, 상기 냉각수라인에서 냉각수를 순환시키는 것
    을 특징으로 하는 배터리 온도관리와 공조를 통합한 차량의 제어시스템.
  11. 제4항에 있어서,
    상기 배터리모듈은 복수로 마련되어 서로 병렬로 배열되고,
    각각의 배터리모듈마다 상기 배터리온도관리유닛, 상기 열교환유닛 및 상기 공조유닛이 구비되는 것
    을 특징으로 하는 배터리 온도관리와 공조를 통합한 차량의 제어시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 실내로부터 냉방요구가 있으면서, 일부 배터리모듈로부터 냉각요구가 있으면,
    냉각요구가 입력된 배터리모듈과 연계된 상기 배터리온도관리유닛, 상기 열교환유닛 및 상기 공조유닛과,
    냉각요구가 입력되지 않은 배터리모듈과 연계된 상기 배터리온도관리유닛, 상기 열교환유닛 및 상기 공조유닛을 독립적으로 제어하는 것
    을 특징으로 하는 배터리 온도관리와 공조를 통합한 차량의 제어시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 실내로부터 냉방요구가 있으면서, 일부 배터리모듈로부터 냉각요구가 있으면,
    냉각요구가 입력된 배터리모듈과 연계된 상기 배터리온도관리유닛, 상기 열교환유닛 및 상기 공조유닛은, 상기 냉매가 상기 컴프레서, 상기 실외열교환기, 상기 제2팽창밸브 및 상기 실내열교환기를 거쳐 상기 컴프레서로 복귀하도록 제어하고,
    냉각요구가 입력되지 않은 배터리모듈과 연계된 상기 배터리온도관리유닛, 상기 열교환유닛 및 상기 공조유닛은, 상기 냉매가 상기 컴프레서, 상기 실외열교환기, 상기 제3팽창밸브 및 상기 칠러를 거쳐 상기 컴프레서로 복귀하도록 제어하고, 상기 냉각수라인을 통하여 냉각수를 순환하도록 제어하는 것
    을 특징으로 하는 배터리 온도관리와 공조를 통합한 차량의 제어시스템.
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