WO2019132494A1 - 열관리 시스템 - Google Patents

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WO2019132494A1
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황인국
이성제
이해준
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한온시스템 주식회사
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Definitions

  • the present invention relates to a thermal management system, and more particularly, to a system for managing heat and electrical components in a vehicle and a battery, as well as cooling / heating the vehicle.
  • the heat management system of the present invention is a heat management system including a refrigerant circulation line through which a refrigerant is circulated and a cooling water circulation line through which cooling water is circulated, wherein the refrigerant circulation line includes a cooling mode and a heating mode To provide a thermal management system in which cold air flows in the same direction.
  • the thermal management system of the present invention has an effect of reducing the power consumption and increasing the battery usage time and designing the coolant and coolant lines having simple structure, thereby reducing maintenance and cost.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a heat management system for a vehicle according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 and 3 are views for explaining an indoor cooling mode of the thermal management system as shown in FIG.
  • FIG. 4 to 6 are views for explaining an indoor heating mode of the thermal management system as shown in FIG.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a heat management system for a vehicle according to an embodiment of the present invention.
  • the thermal management system mainly includes a coolant circulation line 200 through which coolant circulates and a coolant circulation line 300 through which coolant circulates.
  • the refrigerant circulation line 200 includes a refrigerant circulator 210, first to fourth heat exchangers 220, 230, 242 and 252, first to third inflators 225, 240 and 251 and an accumulator 260, . These will be described in detail as follows.
  • the refrigerant circulator 210 serves as a heart for circulating the refrigerant in the refrigerant circulation line 200.
  • the refrigerant circulator 210 may be an electric compressor.
  • the electric compressor which is the refrigerant circulator 210, is supplied with electric power and compresses and discharges the refrigerant.
  • the electric compressor is divided into scroll, swash, rotary, and wobble according to the type of compression. The embodiment is applicable regardless of the compression type of the compressor.
  • the first to fourth heat exchangers 220, 230, 242 and 252 serve to heat exchange the refrigerant with another medium (for example, cooling water, air).
  • the first to third inflators 225, 240, and 251 serve to shut off, bypass, or block the refrigerant.
  • the first heat exchanger 220 serves as a condenser in the refrigerant circulation line 200. That is, the high temperature and high pressure refrigerant discharged from the refrigerant circulator 210 is received, and the refrigerant is heat-exchanged with the cooling water to lower the temperature of the refrigerant.
  • the first inflator 225 is disposed between the first and second heat exchangers 220 and 230 to exchange or bypass the refrigerant.
  • the first inflator 225 may be a combination of an orifice and a bypass connected to the upstream or downstream of the orifice, or may be a thermal expansion valve (TXV) or an electronic expansion valve (EXV) have.
  • TXV thermal expansion valve
  • EXV electronic expansion valve
  • the first inflator 225 functions differently when the refrigerant circulation line 200 is used as an air conditioner loop or a heat pump loop.
  • the refrigerant circulation line (200) is used as an air-conditioner loop, the refrigerant is bypassed.
  • the refrigerant circulation line (200) is used as a heat pump loop, the refrigerant is passed through.
  • the second heat exchanger 230 serves as a condenser or evaporator in the refrigerant circulation line 200.
  • the second heat exchanger 230 can be designed as a structure for exchanging heat between air and refrigerant.
  • the function of the second heat exchanger (230) varies depending on the role of the first inflator (225). That is, the first inflator 225 serves as a condenser together with the first heat exchanger 220 when it bypasses the refrigerant (which may be an air conditioner loop), and when the first inflator 225 throttles the refrigerant It may be a heat pump loop) serves as an evaporator.
  • the second inflator 240 is disposed between the second and third heat exchangers 230 and 242 to exchange or bypass the refrigerant.
  • the second inflator 240 may be in the form of a combination of an orifice and a bypass connected to the front / rear of the orifice, or may be a warm-up inflator (TXV) or an electronic inflator (EXV).
  • TXV warm-up inflator
  • EXV electronic inflator
  • the second inflator 240 also functions differently when the refrigerant circulation line 200 is used as an air conditioner loop or a heat pump loop. When the refrigerant circulation line (200) is used as an air-conditioner loop, the refrigerant is exchanged and passed, and when used as a heat pump loop, the refrigerant is bypassed or blocked.
  • the third heat exchanger 242 is provided in the air conditioner 150 (which may be a vehicle air conditioner (HVAC)) to serve as an evaporator.
  • HVAC vehicle air conditioner
  • the third heat exchanger 242 can be designed as a structure for exchanging heat between the air supplied to the room and the refrigerant.
  • the third heat exchanger 242 serves as an evaporator when the refrigerant circulation line 200 is an air-conditioner loop and serves as an evaporator or a refrigerant transfer path when the refrigerant circulation line 200 is a heat pump loop Also plays a part of the evaporator role). In this case, when the refrigerant circulation line 200 is a heat pump loop, the outside temperature is low and indoor heating is required.
  • the evaporator has a limited role other than dehumidification. Accordingly, the third heat exchanger 242 serves as a refrigerant flow path other than the evaporator for dehumidifying when the refrigerant circulation line 200 is a heat pump loop.
  • the air conditioner 150 may include a temperature control door 151.
  • the third inflator 251 is disposed between the second and fourth heat exchangers 230 and 252 to exchange or bypass the refrigerant.
  • the third inflator 251 may be a combination of an orifice and a bypass connected to the front / rear of the orifice, or may be a warm-up inflator (TXV) or an electronic inflator (EXV).
  • the third inflator (251) throttle the refrigerant in a situation where it is necessary to cool the cooling water, and bypasses the refrigerant or blocks the refrigerant circulation in a situation where cooling of the cooling water is not necessary.
  • the fourth heat exchanger 252 serves as a chiller in the refrigerant circulation line 200 in conjunction with the third inflator 251. To this end, the fourth heat exchanger 252 can be designed as a structure for exchanging heat between cooling water and refrigerant.
  • the accumulator 260 is disposed between the third and fourth heat exchangers 242 and 252 and the refrigerant circulator 210 to separate the liquid refrigerant and the gaseous refrigerant in the refrigerant and to transfer only the double gaseous refrigerant to the refrigerant circulator 210 do.
  • the cooling water circulation line 300 includes a heating line 301 for heating the room and a cooling line 302 for cooling the battery 350 or the electric component 460.
  • the heating line 301 includes an electrically heated heater 430, a fifth heat exchanger 440, a coolant circulator 450, and a first direction changer 420.
  • the electrothermal heater 430 is a device for heating the cooling water, and is connected to the discharge end of the first heat exchanger 220.
  • the electrothermal heater 430 is an induction heater that operates when the temperature of the cooling water heated through the first heat exchanger 220 or the battery 350 and the electric component 460 is lower than a predetermined value, A heater, and a TF (Thin Film) heater.
  • the fifth heat exchanger 440 is installed in the air conditioner 150 and serves as a heater core. That is, the fifth heat exchanger 440 serves to heat the room by exchanging the cooling water with the air supplied to the room.
  • the cooling water circulator 450 is a device for circulating cooling water, and may be in the form of a pump.
  • the cooling water circulation direction of the cooling water circulator 450 is set in accordance with the connection direction of the electrothermal heater 430 and the fifth heat exchanger 440.
  • the cooling water circulator 450 allows the cooling water to flow through the electrothermal heater 430, (440).
  • the cooling water circulator 450 is located at the rear end of the fifth heat exchanger 440 as shown in the drawing, the cooling water is moved in a direction opposite to the direction of the fifth heat exchanger 440, 430, the cooling water is moved in the direction of the electrothermal heater 430.
  • the first direction changer 420 selectively connects or disconnects the heating line 301 and the cooling line 302.
  • the first deflector 420 may be a four-way valve.
  • the selective connection of the first direction converter 420 described above depends on the operation mode of the thermal management system, and the details will be described later.
  • the cooling line 302 includes a battery 350, a sixth heat exchanger 310, a second cooling water circulator 340, and second and third direction diverters 320 and 360.
  • the cooling line 302 includes first to third connection lines 302-1, 302-2, and 302-3 and a third cooling water circulator 340.
  • the battery 350 is a power source for the vehicle and a driving source for various electric components in the vehicle. And may be connected to the fuel cell to store electricity, or may store electricity supplied from the outside.
  • the sixth heat exchanger 310 serves as a radiator for cooling the cooling water. That is, the sixth heat exchanger 310 cools the cooling water heated by the battery 350 and the electric component 460 by exchanging the cooling water with the air.
  • the sixth heat exchanger 310 may be provided together with the fan 311 to increase the air supply amount.
  • the efficiency of the second heat exchanger 230 for exchanging the refrigerant with the air may be further increased when the second heat exchanger 230 is installed together with the fan 311.
  • the second and sixth heat exchangers 230 and 310, And may be provided together with the fan 311.
  • the second cooling water circulator 340 serves to circulate the cooling water in the cooling line 302 and may be in the form of a pump.
  • the second direction changer 320 serves to connect the cooling line 302 and the heating line 301.
  • the cooling line 302 and the heating line 301 are connected or disconnected according to the operation mode, and the primary control thereof is the second direction converter 320, thereby connecting the first connection line 302-1
  • the cooling line 302 and the heating line 301 are connected or disconnected. Since it is difficult to control the flow rate of the cooling water in the second direction changer 320, the third cooling water circulator 410 is disposed in the first connection line 302-1.
  • the second direction changer 320 may be a three-way valve.
  • the cooling water in the heating line 301 is again supplied to the cooling line 302 while the passage (first connection line 302-1) in which the cooling water in the cooling line 302 moves to the heating line 301 is secured, And a second connection line 302-2 is provided for this purpose.
  • the electric component 460 is disposed in the second connection line 302-2 and cooled by the cooling water.
  • a third connection line 302-3 for cooling the cooling water is connected to the fourth heat exchanger 252, and it is determined whether or not the third connection line 302-3 is connected by the third direction converter 360.
  • the third connection line 302-3 may be omitted in some cases and the fourth heat exchanger 252 may be in the form of direct heat exchange with the cooling water of the cooling line 302 near the battery 350.
  • the cooling water circulation line 300 has a heating line 301 for heating the room and a cooling line for cooling the battery 350 and the electric component 460 according to the operation mode of the heat- 302, respectively.
  • the first and second direction converters 420 and 320 enable this.
  • the first direction changer 420 is a four-way valve that connects / disconnects the heating line 301 and the first and second connection lines 302-1 and 302-2,
  • the cooling line 301 and the cooling line 302 can be easily connected and disconnected.
  • FIG. 2 is a view for explaining an indoor cooling mode of the thermal management system as shown in FIG. 1.
  • FIG. 2 is a view for explaining an indoor cooling mode of the thermal management system as shown in FIG. 1.
  • the refrigerant circulator 210 Since the refrigerant circulator 210 operates in the indoor cooling mode, and the cooling load is small, the refrigerant circulator 210 is driven at a low RPM. This means that the power consumption is reduced. Subsequently, refrigerant of high temperature and high pressure is discharged according to the operation of the refrigerant circulator 210, and the refrigerant is heat-exchanged with the cooling water in the first heat exchanger 220 to be cooled. Then, the first expander 225 bypasses the refrigerant to transfer it to the second heat exchanger 230, and the second heat exchanger 230 further cools the refrigerant by heat exchange with the air. That is, the first and second heat exchangers 220 and 230 serve as a condenser to condense the refrigerant.
  • the second inflator 240 then throttles the refrigerant, and the third heat exchanger 242 evaporates the refrigerant to cool the room.
  • the third inflator 251 blocks the refrigerant flow and prevents the refrigerant from flowing in the direction of the fourth heat exchanger 252. Thereafter, the refrigerant passes through the accumulator 260 and is then transferred to the refrigerant circulator 210, where the refrigerant is repeatedly circulated.
  • the cooling water is circulated by the cooling water circulators 340, 410 and 450 and absorbed heat of the battery 350, the electric component 460 and the first heat exchanger 220 and is heated.
  • the coolant in the battery 350, the electric component 460, and the first heat exchanger 220 is cooled by the cooling water.
  • the first direction changer 420 circulates the cooling water in the direction of connecting the heating line 301 and the cooling line 302 so that the battery 350, the electric component 460, the first heat exchanger 220 ) Are connected by cooling water. That is, the first direction changer 420 simplifies the cooling water line and induces the cooling water flow in a direction to increase the cooling efficiency of the heat sources 350, 460, and 220 described above.
  • the heated cooling water is heat-exchanged with the air in the sixth heat exchanger 310 to be cooled and then transferred again to the battery 350, the electric component 460 and the first heat exchanger 220 to generate the battery 350, 460) is cooled, and this process is repeated.
  • indoor cooling includes a refrigerant circulator 210, a first heat exchanger 220, a second heat exchanger 230, a second inflator 240, and a third heat exchanger 242 serving as an evaporator ) Through the air conditioning loop. At this time, the condensation of the refrigerant is made by secondary (water-cooling and air-cooling), and the efficiency is high.
  • the cooling of the heat source which is the battery 350 and the electric component 460, is performed by air cooling through the radiator 310.
  • the cooling load of the heat sources 350 and 460, particularly the battery 350, is small, so that the heat sources 350 and 460 are cooled by air cooling.
  • the fourth heat exchanger 252 does not need to be operated, The load is reduced and the rotation speed RPM of the refrigerant circulator 210 can be lowered. That is, the power consumption can be reduced as described above.
  • FIG. 3 is a view for explaining an indoor cooling mode of the thermal management system as shown in FIG. At this time, the description of the contents overlapping with FIG. 2 will be omitted.
  • the refrigerant circulator 210 Since the refrigerant circulator 210 operates in the indoor cooling mode and the cooling load is large, the refrigerant circulator 210 is driven at a high RPM. Subsequently, refrigerant of high temperature and high pressure is discharged according to the operation of the refrigerant circulator 210, and the refrigerant is heat-exchanged with the cooling water in the first heat exchanger 220 to be cooled. Then, the first expander 225 bypasses the refrigerant to transfer it to the second heat exchanger 230, and the second heat exchanger 230 further cools the refrigerant by heat exchange with the air. That is, the first and second heat exchangers 220 and 230 serve as a condenser to condense the refrigerant.
  • the second inflator 240 then throttles the refrigerant, and the third heat exchanger 242 evaporates the refrigerant to cool the room.
  • the third inflator 251 also throttles the refrigerant, and the fourth heat exchanger 252 exchanges heat between the refrigerant and the cooling water. That is, the fourth heat exchanger 252 cools the cooling water with the refrigerant. Thereafter, the refrigerant passes through the accumulator 260 and is then transferred to the refrigerant circulator 210, where the refrigerant is repeatedly circulated.
  • the cooling water is circulated by the second cooling water circulator 340, the third cooling water circulator 410 and the cooling water circulator 450 and circulated by the heat of the battery 350, the electric component 460 and the first heat exchanger 220 And is heated.
  • the coolant in the battery 350, the electric component 460, and the first heat exchanger 220 is cooled by the cooling water.
  • the cooling line 302 includes a first connection line 302-1 for cooling the electric component 460 and the refrigerant of the first heat exchanger 220 by the second and third direction converters 320 and 360, And a second connection line 302-2 for cooling the battery 350. It is effective to use the refrigerant when cooling the cooling water.
  • the indoor cooling includes a refrigerant circulator 210, a first heat exchanger 220 and a second heat exchanger 230, a second inflator 240 and a third heat exchanger 242 serving as an evaporator.
  • Air conditioner loop Cooling of the electric component 460 in the heat source is achieved by air cooling through the radiator 310 and cooling of the battery 350 is cooled by the refrigerant through the chiller 252.
  • FIG. 4 to 6 are views for explaining an indoor heating mode of the thermal management system as shown in FIG.
  • the description of the contents overlapping with those of Fig. 2 and Fig. 3 will be omitted.
  • the refrigerant circulator 210 operates and is driven at a low or medium speed (RPM) because of indoor heating. Subsequently, refrigerant of high temperature and high pressure is discharged according to the operation of the refrigerant circulator 210, and the refrigerant is heat-exchanged with the cooling water in the first heat exchanger 220 to be cooled. In other words, the cooling water is heated by the refrigerant of the first heat exchanger 220.
  • the first inflator 225 then throttles the refrigerant and the second heat exchanger 230 evaporates the refrigerant. That is, the first heat exchanger 220 operates as a condenser and the second heat exchanger 230 operates as an evaporator.
  • the second inflator 240 then blocks the refrigerant flowing into the third heat exchanger 242. This is because the third heat exchanger 242 used as an evaporator is not needed because of indoor heating.
  • the third inflator 251 bypasses the refrigerant and transfers the refrigerant to the fourth heat exchanger 252.
  • the fourth heat exchanger (252) the refrigerant absorbs the heat of the cooling water and is heated. Thereafter, the refrigerant passes through the accumulator 260 and is then transferred to the refrigerant circulator 210, where the refrigerant is repeatedly circulated.
  • the heating line 301 and the cooling line 302 form a closed loop by the first and second direction converters 420 and 320, respectively.
  • the heating line 301 circulates the cooling water heated by the first heat exchanger 220 to the fifth heat exchanger 440 to heat the room. That is, the heating line 301 heats the room using the cooling water that has received heat from the high-temperature refrigerant. If the temperature of the heat transferred from the refrigerant is not sufficient, the cooling water may be heated using the electric heater 430.
  • the cooling line 302 is a closed loop for connecting the battery 350 and the electric component 460 and uses the electric component 460 as a heat source for warming up the battery 350.
  • the cooling water is not flowed to the sixth heat exchanger 310, so that the fan 311 is not operated and the power consumption is reduced.
  • heating the room means that the outside temperature is low, and the necessity of the means for cooling the battery 350 is not high, so that the sixth heat exchanger 310 and the fan 311 are not used.
  • the third direction converter 360 and the second cooling water circulator 340 are controlled according to the temperature of the battery 350 to shut off the cooling water flow of the battery 350 and the electric component 460, . That is, since the second cooling water circulator 340 is not driven, the power consumption can be reduced.
  • the battery temperature is not sufficiently high and the cooling water flow on the battery 350 side is blocked under conditions where it is difficult to utilize the waste heat of the battery in the air conditioning.
  • indoor heating uses cooling water heated by high-temperature refrigerant.
  • the refrigerant circulation line 200 includes a structure capable of operating as a heat pump, indoor heating is not cooling medium but cooling water. Accordingly, in the refrigerant circulation line 200, the second heat exchanger 230 and the first inflator 225 may be omitted in some cases.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining an indoor heating mode in a mild weather.
  • the refrigerant circulator 210 does not operate. That is, the refrigerant does not flow into the refrigerant circulation line 200 in the indoor heating. Therefore, the refrigerant circulator 210 does not operate and the power consumption can be reduced.
  • the cooling water circulation line 300 is connected to all the cooling water lines except for the cooling line 302 and the third connection line 302-3 flowing to the sixth heat exchanger 310 to circulate the cooling water.
  • the heat source for the indoor heating is the battery 350 and the electric component 460. Since the outdoor environment is mild, it is not required that the room temperature is high, so that the battery 350 and the electric component 460 alone can be heated.
  • the electric heater 430 may be driven for additional heating.
  • the battery 350 is warmed up by the electric component 460. If the temperature of the electric component 460 does not sufficiently raise the temperature of the battery 350, the electric heater 430 may be driven to raise the temperature of the battery 350.
  • the battery temperature increase also has the effect of increasing the charging efficiency when charging the battery.
  • the indoor heating is made by the cooling water heated by the waste heat of the battery 350 and the electric component 460 without the flow of the refrigerant. Since the refrigerant circulator 210 is not driven, the power consumption is reduced.
  • the initial operation performance of the battery 350 is improved.
  • the present embodiment simplifies a complicated cooling water line by a complicated refrigerant line, various heat sources (electric parts and batteries), and a cooling source (radiator, fan, chiller) to perform heating (heat pump) Respectively.
  • the refrigerant and the cooling water are appropriately heat-exchanged to be used for cooling / heating, and also used for cooling the heat source.
  • power supply to the power consumption source (compressor, cooling water pump) is appropriately cut off to reduce power consumption, thereby improving the traveling distance of the electric vehicle. Further, there is an effect of reducing power consumption as a structure for recovering waste heat of a heat source.
  • the heat management system according to the present embodiment described above is merely illustrative and that those skilled in the art will appreciate that various modifications and equivalent embodiments are possible without departing from the scope of the present invention will be. Therefore, it is to be understood that the present invention is not limited to the above-described embodiments.
  • the accumulator 260 referred to in this embodiment may be replaced by a receiver drier disposed between the first heat exchanger 220, which is a condenser, and the first inflator 225.
  • the second heat exchanger 230 and the first inflator 225 may be omitted in some cases. That is, if the refrigerant can be sufficiently condensed into the first heat exchanger 220, the refrigerant circulation line 200 may be configured simply as a compressor, a condenser, an expander, and an evaporator. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims. It is also to be understood that the invention includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.

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Abstract

차량의 실내 냉/난방은 물론 전장부품 및 배터리까지 열관리 가능한 열관리 시스템을 제공하는데 목적이 있다. 또한, 전력 소모량을 감소시켜 배터리 사용 시간을 증가시키는 열관리 시스템을 제공하는데 목적이 있다. 그리고, 본 발명은 구조가 단순한 냉매 및 냉각수라인을 포함하는 열관리 시스템이 개시된다.

Description

열관리 시스템
본 발명은 열관리 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차량의 냉/난방은 물론, 차량 내 전장부품 및 배터리의 열을 관리하는 시스템에 관한 것이다.
최근 자동차 분야에서 환경 친화적 기술의 구현 및 에너지 고갈 등의 문제 해결로서 각광받고 있는 것이 전기 자동차이다. 전기 자동차는 배터리(또는 연료전지)로부터 전력을 공급받아 구동하는 모터로 이동하기 때문에, 탄소 배출 및 소음이 작다. 또한, 기존 엔진보다 에너지 효율이 우수한 모터를 사용하기 때문에 친환경적이다.
이와 같이 우수한 전기 자동차이지만, 발열이 심한 배터리 및 모터를 사용하는바 열관리가 중요하고, 배터리의 재충전 시간이 길기 때문에 효율적인 배터리의 사용 시간 관리가 중요하다. 특히, 전기 자동차는 실내 공조를 위해 구동하는 압축기도 전기로 구동하는 바, 더욱 배터리의 사용 시간 관리가 중요하다.
본 발명은 차량의 실내 냉/난방은 물론 전장부품 및 배터리까지 열관리 가능한 열관리 시스템을 제공하는데 목적이 있다. 또한, 전력 소모량을 감소시켜 배터리 사용 시간을 증가시키는 열관리 시스템을 제공하는데 목적이 있다. 그리고, 본 발명은 구조가 단순한 냉매 및 냉각수라인을 포함하는 열관리 시스템을 제공하는 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 열관리 시스템은 냉매가 순환되는 냉매순환라인, 냉각수가 순환되는 냉각수순환라인,를 포함하는 열관리 시스템에 있어서, 상기 냉매순환라인은 차량의 냉방모드와 난방모드 시 동일한 방향으로 냉가가 흐르는 열관리 시스템을 제공한다.
본 발명의 열관리 시스템은 전력 소모량을 감소시켜 배터리 사용 시간을 증가시키고, 구조가 단순한 냉매 및 냉각수라인의 설계가 가능하여 유지 보수 및 원가가 절감되는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 열관리 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 2 및 3은 도 1과 같은 열관리 시스템의 실내 냉방 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 4 내지 6은 도 1과 같은 열관리 시스템의 실내 난방 모드를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공 되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 열관리 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 1과 같이, 열관리 시스템은 크게 냉매가 순환하는 냉매순환라인(200)과 냉각수가 순환하는 냉각수순환라인(300)을 포함한다.
냉매순환라인(200)은 냉매순환기(210), 제1 내지 제4 열교환기(220, 230, 242, 252), 제1 내지 제3 팽창기(225, 240, 251) 및 어큐물레이터(260)를 포함한다. 이들을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
냉매순환기(210)는 냉매순환라인(200)에서 냉매를 순환시키는 심장 역할을 한다. 일례로서, 냉매순환기(210)는 전동 압축기일 수 있다. 이하, 냉매순환기와 전동 압축기를 도면부호 210으로 혼용하여 설명하기로 한다. 이러한 냉매순환기(210)인 전동 압축기는 전력을 공급받아 냉매를 압축하여 토출하는데, 압축하는 형태에 따라 스크롤(scroll), 사판(swash), 로타리(rotary), 워블(wabble) 방식으로 나뉘며, 본 실시예에서는 압축기의 압축 형태와 무관하게 모두 적용 가능하다.
제1 내지 제4 열교환기(220, 230, 242, 252)는 냉매를 다른 매체(예를 들어 냉각수, 공기)와 열교환시키는 역할을 한다. 그리고, 제1 내지 제3 팽창기(225, 240, 251)는 냉매를 교축, 바이패스(bypass) 또는 흐름을 차단하는 역할을 한다.
이중, 제1 열교환기(220)는 냉매순환라인(200)에서 응축기의 역할을 한다. 즉, 냉매순환기(210)에서 토출된 고온고압의 냉매를 전달받고, 이를 냉각수와 열교환시켜 냉매의 온도를 낮춘다.
제1 팽창기(225)는 제1 및 제2 열교환기(220, 230) 사이에 배치되어 냉매를 교축하거나 바이패스시키는 역할을 한다. 이를 위해, 제1 팽창기(225)는 오리피스(orifice)와 오리피스 전/후단과 연결된 우회로가 결합된 형태이거나, 감온식 팽창기(Thermal Expansion　Valve; TXV) 또는 전자팽창기(Electronic eXpasion Valve; EXV)일 수 있다. 제1 팽창기(225)는 냉매순환라인(200)을 에어컨 루프 또는 히트펌프(heat pump) 루프로 사용할 경우에 따라 기능을 달리한다. 냉매순환라인(200)을 에어컨 루프로 사용할 경우 냉매를 바이패스하고, 히트펌프 루프로 사용할 경우 냉매를 교축하여 통과시킨다.
제1 팽창기(225)와 연계하여 제2 열교환기(230)는 냉매순환라인(200)에서 응축기 또는 증발기 역할을 한다. 이를 위해, 제2 열교환기(230)는 공기와 냉매를 열교환하는 구조로 설계가 가능하다. 제2 열교환기(230)는 제1 팽창기(225)의 역할에 따라 기능이 가변된다. 즉, 제1 팽창기(225)가 냉매를 바이패스하는 경우(에어컨 루프일 수 있다) 제1 열교환기(220)와 함께 응축기의 역할을 하고, 제1 팽창기(225)가 냉매를 교축할 경우(히트펌프 루프일 수 있다) 증발기 역할을 한다.
제2 팽창기(240)는 제2 및 제3 열교환기(230, 242) 사이에 배치되어 냉매를 교축하거나 바이패스시키는 역할을 한다. 이를 위해, 제2 팽창기(240)는 오리피스와 오리피스 전/후단과 연결된 우회로가 결합된 형태이거나, 감온식 팽창기(TXV) 또는 전자팽창기(EXV)일 수 있다. 제2 팽창기(240)도 냉매순환라인(200)을 에어컨 루프 또는 히트펌프 루프로 사용할 경우에 따라 기능을 달리한다. 냉매순환라인(200)을 에어컨 루프로 사용할 경우 냉매를 교축하여 통과시키고, 히트펌프 루프로 사용할 경우 냉매를 바이패스 시키거나 차단한다.
제3 열교환기(242)는 공조장치(150, 차량용 공조장치(HVAC)일 수 있다) 내에 구비되어 증발기 역할을 한다. 이를 위해, 제3 열교환기(242)는 실내에 공급되는 공기와 냉매를 열교환하는 구조로 설계 가능하다. 또한 제3 열교환기(242)는 냉매순환라인(200)이 에어컨 루프일 경우 증발기 역할을 하고, 냉매순환라인(200)이 히트펌프 루프일 경우 증발기 또는 냉매 이동로(바이패스, 바이패스 역할일 때도 증발기 역할을 일정부분 수행한다) 역할을 한다. 여기서, 냉매순환라인(200)이 히트펌프 루프일 경우는 외기온이 낮아 실내 난방이 필요한 상태인데, 이때 증발기는 제습 이외에는 역할이 제한적이다. 따라서, 제3 열교환기(242)는 냉매순환라인(200)이 히트펌프 루프일 경우 제습을 위한 증발기로서의 역할 이외에는 냉매의 이동로의 역할을 한다. 그리고, 공조장치(150)에는 온도조절도어(151)가 구비될 수 있다.
제3 팽창기(251)는 제2 및 제4 열교환기(230, 252) 사이에 배치되어 냉매를 교축하거나 바이패스시키는 역할을 한다. 이를 위해, 제3 팽창기(251)는 오리피스와 오리피스 전/후단과 연결된 우회로가 결합된 형태이거나, 감온식 팽창기(TXV) 또는 전자팽창기(EXV)일 수 있다. 제3 팽창기(251)는 냉각수의 냉각이 필요한 상황에서 냉매를 교축하여 통과시키고, 냉각수의 냉각이 필요하지 않은 상황에서는 냉매를 바이패스 시키거나 냉매 순환을 차단한다.
제3 팽창기(251)와 연계하여 제4 열교환기(252)는 냉매순환라인(200)에서 칠러(chiller) 역할을 한다. 이를 위해, 제4 열교환기(252)는 냉각수와 냉매를 열교환하는 구조로 설계 가능하다.
어큐물레이터(260)는 제3, 4 열교환기(242, 252)와 냉매순환기(210) 사이에 배치되어, 냉매 중 액상 냉매와 기상 냉매를 분리하고 이중 기상 냉매만 냉매순환기(210)에 전달한다.
냉각수순환라인(300)은 실내 난방을 위한 난방라인(301)과 배터리(350) 또는 전장부품(460)을 냉각하기 위한 냉각라인(302)을 포함한다. 이 경우 난방라인(301)은 전열히터(430), 제5 열교환기(440), 냉각수순환기(450) 및 제1 방향전환기(420)를 포함한다.
전열히터(430)는 냉각수를 가열하는 장치로서, 제1 열교환기(220) 토출단과 연결된다. 전열히터(430)는 제1 열교환기(220) 또는 배터리(350) 및 전장부품(460)을 통해 가열된 냉각수의 온도가 적정치 이하일 경우 가동하는 인덕션(induction) 히터, 씨즈(sheath), PTC 히터, TF(Thin Film) 히터일 수 있다.
제5 열교환기(440)는 공조장치(150) 내에 구비되어 히터코어(heater core) 역할을 한다. 즉, 제5 열교환기(440)는 냉각수와 실내에 공급되는 공기를 열교환시켜 실내를 난방하는 역할을 한다.
냉각수순환기(450)는 냉각수를 순환시키는 장치로서, 펌프(pump)의 형태일 수 있다. 냉각수순환기(450)의 냉각수 순환 방향은 전열히터(430)와 제5 열교환기(440)의 연결 방향에 맞춰 설정되는데, 냉각수순환기(450)는 냉각수가 전열히터(430)를 지나 제5 열교환기(440)로 향하도록 구동된다. 따라서, 도면과 같이 냉각수순환기(450)가 제5 열교환기(440) 후단에 있을 경우에는 제5 열교환기(440)의 방향의 반대 방향으로 냉각수를 이동시키고, 냉각수순환기(450)가 전열히터(430)의 전단에 있을 경우에는 전열히터(430) 방향으로 냉각수를 이동시킨다.
제1 방향전환기(420)는 난방라인(301)과 냉각라인(302)을 선택적으로 연결하거나 차단하는 역할을 한다. 이를 위해 제1 방향전환기(420)는 4방향 밸브일 수 있다. 상술한 제1 방향전환기(420)의 선택적 연결은 열관리 시스템의 동작 모드에 따른 것으로서, 구체적인 내용은 후술한다.
냉각라인(302)은 배터리(350), 제6 열교환기(310), 제2 냉각수순환기(340) 및 제2 및 제3 방향전환기(320, 360)를 포함한다. 추가로, 냉각라인(302)은 제1 내지 제3 연결라인(302-1, 302-2, 302-3) 및 제3 냉각수순환기(340)를 포함한다.
배터리(350)는 차량에 동력원이고, 차량 내 각종 전장부품의 구동원이다. 경우에 따라서 연료전지와 연결되어 전기를 저장하는 역할을 하거나, 외부에서 공급되는 전기를 저장하는 역할을 할 수 있다.
제6 열교환기(310)는 냉각수를 냉각시키는 라디에이터 역할을 한다. 즉, 제6 열교환기(310)는 냉각수와 공기를 열교환시켜 배터리(350) 및 전장부품(460)에 의해 가열된 냉각수를 냉각한다. 이를 위해, 제6 열교환기(310)는 공기 공급량을 높이기 위해 팬(311)과 함께 구비될 수 있다. 한편, 냉매를 공기와 열교환하는 제2 열교환기(230)도 팬(311)과 함께 구비될 경우 효율이 더 증가될 수 있는데, 최소 공간 사용을 위해 제2 및 제6 열교환기(230, 310)를 적층시킨 후, 팬(311)과 함께 구비될 수도 있다.
제2 냉각수순환기(340)는 냉각라인(302)의 냉각수를 순환시키는 역할을 하며, 펌프 형태일 수 있다.
제2 방향전환기(320)는 냉각라인(302)과 난방라인(301)을 연결하는 역할을 한다. 열관리 시스템은 동작 모드에 따라 냉각라인(302)과 난방라인(301)이 연결 또는 차단되는데, 이의 1차적 제어가 제2 방향전환기(320)이고, 이에 따라 제1 연결라인(302-1)을 통해 냉각라인(302)과 난방라인(301)이 연결 또는 차단된다. 그리고, 제2 방향전환기(320)로는 냉각수의 흐름 속도 제어가 어려운 바, 제3 냉각수순환기(410)를 제1 연결라인(302-1)에 배치한다. 이 경우 제2 방향전환기(320)는 3방향 밸브일 수 있다.
그리고, 냉각라인(302)의 냉각수가 난방라인(301)으로 이동하는 통로(제1 연결라인(302-1))가 확보된 상태에서, 다시 난방라인(301)의 냉각수가 냉각라인(302)으로 이동해야하는바, 이를 위해 제2 연결라인(302-2)을 구비한다. 이때, 제2 연결라인(302-2)에는 전장부품(460)이 배치되어 냉각수에 의해 냉각된다.
마지막으로, 제4 열교환기(252)와 연결되어 냉각수를 냉각시키기 위한 제3 연결라인(302-3)이 구비되고, 제3 방향전환기(360)에 의해 연결 여부가 결정된다. 제3 연결라인(302-3)은 경우에 따라 생략 가능하며, 이 경우 제4 열교환기(252)가 배터리(350) 인근 냉각라인(302)의 냉각수와 직접 열교환하는 형태일 수 있다.
이와 같이 본 실시예에 따른 냉각수순환라인(300)은 열관리 시스템의 동작 모드에 따라 실내 난방을 위해 구비된 난방라인(301)과 배터리(350) 및 전장부품(460)을 냉각하기 위한 냉각라인(302)을 연결하거나, 차단한다. 이를 가능하게 하는 것이 제1 및 제2 방향전환기(420, 320)이다. 특히, 제1 방향전환기(420)는 난방라인(301)과 제1 및 제2 연결라인(302-1, 302-2)을 연결/차단하는 4방향 밸브로 구성되기 때문에, 간단한 구조로 난방라인(301)과 냉각라인(302)을 손쉽게 연결 및 차단할 수 있다. 더불어, 냉각수의 흐름을 전환하는 방향전환기의 개수를 감소시킬 수 있는 구성이기도 하다.
이하 앞서 설명한 열관리 시스템의 동작 모드에 따른 동작을 설명한다. 특히 본 발명의 특징으로 후술할 모든 동작 모드에서 상기 냉매순환라인(200)은 동일한 방향으로 냉매가 흐르고, 아울러 별도의 방향전환기가 구비되지 않는다.
1. 실내 냉방 - 냉방 부하가 적을 때(예를 들어, 봄/가을철)
도 2는 도 1과 같은 열관리 시스템의 실내 냉방 모드를 설명하기 위한 도면이다.
실내 냉방 모드이기 때문에 냉매순환기(210)가 동작하되, 냉방 부하가 적기 때문에, 냉매순환기(210)는 낮은 RPM으로 구동한다. 이는 전력 소모가 감소되는 것을 의미한다. 이어서, 냉매순환기(210)의 동작에 따라 고온고압의 냉매가 토출되고, 이 냉매는 제1 열교환기(220)에서 냉각수와 열교환되어 냉각된다. 이어서, 제1 팽창기(225)가 냉매를 바이패스 시켜 제2 열교환기(230)로 전달하고, 제2 열교환기(230)는 냉매를 공기와 열교환시켜 추가로 냉각한다. 즉, 제1 및 제2 열교환기(220, 230)가 응축기의 역할을 하여 냉매를 응축한다.
이어서, 제2 팽창기(240)는 냉매를 교축하고, 제3 열교환기(242)는 냉매를 증발시켜 실내를 냉방한다. 그리고, 제3 팽창기(251)는 냉매 흐름을 차단하여 제4 열교환기(252) 방향으로 냉매가 흐르지 못하게 막는다. 이후, 냉매는 어큐뮬레이터(260)를 통과한 후 냉매순환기(210)로 전달되어 이전 동작을 반복하며 순환한다.
한편, 냉각수는 냉각수순환기(340, 410, 450)들에 의해 순환하며, 배터리(350), 전장부품(460) 및 제1 열교환기(220)의 열을 흡수하여 가열된다. 반대로, 냉각수에 의해 배터리(350), 전장부품(460) 및 제1 열교환기(220)의 냉매는 냉각된다. 이때, 제1 방향전환기(420)는 난방라인(301)과 냉각라인(302)을 연결하는 방향으로 냉각수를 순환시키며, 이를 통해 배터리(350), 전장부품(460), 제1 열교환기(220)와 같은 발열원은 냉각수에 의해 연결된다. 즉 제1 방향전환기(420)는 냉각수 라인을 단순화시켜, 상술한 발열원(350, 460, 220)의 냉각 효율을 증대시키는 방향으로 냉각수 흐름을 유도한다.
가열된 냉각수는 제6 열교환기(310)에서 공기와 열교환되어 냉각된 후, 재차 배터리(350), 전장부품(460) 및 제1 열교환기(220)로 전달되어 배터리(350), 전장부품(460)을 냉각하며, 이 과정을 반복한다.
정리해 보면, 실내 냉방은 냉매순환기(210), 응축기 역할을 하는 제1 열교환기(220), 제2 열교환기(230)와, 제2 팽창기(240) 및 증발기 역할을 하는 제3 열교환기(242)로 이어지는 에어컨 루프를 통해 이뤄진다. 이때, 냉매의 응축은 2차(수냉 및 공냉)로 이루어져 효율이 높다. 그리고, 배터리(350)와 전장부품(460)인 발열원의 냉각은 라디에이터(310)를 통한 공냉으로 이뤄진다. 앞서 가정한 바와 같이 발열원(350, 460), 특히 배터리(350)의 냉각 부하가 작아서 발열원(350, 460)을 공냉으로 냉각하는데, 이 경우 제4 열교환기(252)를 가동하지 않아도 되기 때문에 냉매 부하가 작아져 냉매순환기(210)의 회전수(RPM)를 낮출 수 있다. 즉, 앞서 설명한 바와 같이 전력 소모량을 감소시킬 수 있다.
2. 실내 최대 냉방 - 냉방 부하가 클 때(예를 들어, 여름철)
도 3은 도 1과 같은 열관리 시스템의 실내 냉방 모드를 설명하기 위한 도면이다. 이때, 도 2와 중복되는 내용의 설명은 생략한다.
실내 냉방 모드이기 때문에 냉매순환기(210)가 동작하되, 냉방 부하가 크기 때문에, 냉매순환기(210)는 높은 회전수(RPM)로 구동한다. 이어서, 냉매순환기(210)의 동작에 따라 고온고압의 냉매가 토출되고, 이 냉매는 제1 열교환기(220)에서 냉각수와 열교환되어 냉각된다. 이어서, 제1 팽창기(225)가 냉매를 바이패스 시켜 제2 열교환기(230)로 전달하고, 제2 열교환기(230)는 냉매를 공기와 열교환시켜 추가로 냉각한다. 즉, 제1 및 제2 열교환기(220, 230)가 응축기의 역할을 하여 냉매를 응축한다.
이어서, 제2 팽창기(240)는 냉매를 교축하고, 제3 열교환기(242)는 냉매를 증발시켜 실내를 냉방한다. 그리고, 제3 팽창기(251)도 냉매를 교축하고, 제4 열교환기(252)는 냉매와 냉각수를 열교환한다. 즉, 제4 열교환기(252)는 냉매로 냉각수를 냉각한다. 이후, 냉매는 어큐뮬레이터(260)를 통과한 후 냉매순환기(210)로 전달되어 이전 동작을 반복하며 순환한다.
한편, 냉각수는 제2 냉각수순환기(340), 제3 냉각수순환기(410), 냉각수순환기(450)에 의해 순환하며, 배터리(350), 전장부품(460) 및 제1 열교환기(220)의 열을 흡수하여 가열된다. 반대로, 냉각수에 의해 배터리(350), 전장부품(460) 및 제1 열교환기(220)의 냉매는 냉각된다. 이때, 냉각라인(302)은 제2 및 제3 방향전환기(320, 360)에 의해 전장부품(460)과 제1 열교환기(220)의 냉매를 냉각하기 위한 제1 연결라인(302-1)과 배터리(350)를 냉각하기 위한 제2 연결라인(302-2)으로 나뉜다. 냉각수를 냉각할 때 냉매를 이용하는 것이 효율적이기는 하나, 모든 발열원인 배터리(350), 전장부품(460), 제1 열교환기(220)를 냉매로 냉각할 경우 냉매에 부하가 인가되어, 실내 냉방에 악영향을 끼친다. 이를 방지하고자, 배터리(350)만 냉매로 냉각하고, 나머지 발열원인 전장부품(460), 제1 열교환기(220)는 제6 열교환기(310)인 라디에이터를 통해 냉각한다.
정리해 보면, 실내 냉방은 냉매순환기(210), 응축기 역할을 하는 제1 열교환기(220)와 제2 열교환기(230), 제2 팽창기(240) 및 증발기 역할을 하는 제3 열교환기(242)로 이어지는 에어컨 루프를 통해 이뤄진다. 그리고, 발열원 중 전장부품(460)의 냉각은 라디에이터(310)를 통한 공냉으로 이뤄지고, 배터리(350)의 냉각은 칠러(252)를 통한 냉매로 냉각된다.
3. 실내 난방
도 4 내지 6은 도 1과 같은 열관리 시스템의 실내 난방 모드를 설명하기 위한 도면이다. 이때, 도 2 및 도 3과 중복되는 내용의 설명은 생략한다.
먼저, 도 4를 참조하면, 냉매순환기(210)가 동작하되, 실내 난방이기 때문에 저 또는 중 회전수(RPM)으로 구동한다. 이어서, 냉매순환기(210)의 동작에 따라 고온고압의 냉매가 토출되고, 이 냉매는 제1 열교환기(220)에서 냉각수와 열교환되어 냉각된다. 반대로 말해, 제1 열교환기(220)의 냉매에 의해 냉각수가 가열된다. 이어서, 제1 팽창기(225)가 냉매를 교축하고, 제2 열교환기(230)는 냉매를 증발시킨다. 즉, 제 1열교환기(220)는 응축기로 동작하고, 제2 열교환기(230)는 증발기로 동작한다.
이어서, 제2 팽창기(240)는 제3 열교환기(242)로 흐르는 냉매를 차단한다. 실내 난방이기 때문에 증발기로 사용되는 제3 열교환기(242)가 필요하지 않기 때문이다. 그리고, 제3 팽창기(251)가 냉매를 바이패스 시켜 제4 열교환기(252)로 전달한다. 제4 열교환기(252)에서는 냉매가 냉각수의 열을 흡수하여 가열된다. 이후, 냉매는 어큐뮬레이터(260)를 통과한 후 냉매순환기(210)로 전달되어 이전 동작을 반복하며 순환한다.
한편, 냉각수는 제1 및 제2 방향전환기(420, 320)에 의해 난방라인(301)과 냉각라인(302)이 각각 폐루프를 형성한다. 난방라인(301)은 제1 열교환기(220)에 의해 가열된 냉각수를 제5 열교환기(440)에 유통시켜 실내를 난방한다. 즉, 난방라인(301)은 고온의 냉매로부터 열을 전달받은 냉각수를 이용하여 실내를 난방한다. 만약, 냉매로부터 전달받은 열의 온도가 충분하지 않을 경우 전열히터(430)를 사용하여 냉각수를 가열할 수도 있다. 냉각라인(302)은 배터리(350)와 전장부품(460)을 연결하는 폐루프로서, 전장부품(460)을 배터리(350)의 승온(warm up)용 발열원으로 사용한다. 이때, 제6 열교환기(310)에는 냉각수를 유동시키지 않으며, 이에 따라 팬(311)이 동작하지 않아서 전력 소모량이 감소된다. 이 경우 실내를 난방한다는 것은 외기온이 낮다는 것이고, 배터리(350)를 냉각하기 위한 수단의 필요성이 높지 않다는 것을 의미하는 바, 제6 열교환기(310) 및 팬(311)을 사용하지 않는다. 하지만, 초겨울, 늦 봄과 같이 실내 난방을 하지만 외기온이 아주 낮지 않은 상황에서는 제6 열교환기(310) 및 팬(311)을 사용하여 냉각라인(302)의 냉각수를 냉각할 수도 있다.
또한, 도 5와 같이, 배터리(350)의 온도에 따라 제3 방향전환기(360) 및 제2 냉각수순환기(340)를 제어하여 배터리(350)와 전장부품(460)의 냉각수 흐름을 차단하거나 유속을 저감시킬 수도 있다. 즉 제2 냉각수순환기(340)를 구동하지 않기 때문에 전력 소모량을 감소시킬 수 있다. 배터리 온도가 충분히 높지 않아, 공조에서 배터리 폐열을 활용하기 어려운 조건에서 배터리(350) 측 냉각수 흐름을 차단한다.
정리해 보면, 실내 난방은 고온의 냉매에 의해 가열된 냉각수를 이용한다. 추가로 전열히터(430)로 냉각수를 가열하여 실내 난방을 할 수도 있다. 냉매순환라인(200)이 히트펌프로 동작할 수 있는 구성을 포함하고 있으나, 실내 난방은 냉매가 아닌 냉각수로 한다. 따라서, 냉매순환라인(200)에서 제2 열교환기(230)과 제1 팽창기(225)는 경우에 따라 삭제도 가능하다.
도 6은 온화한 날씨의 실내 난방 모드를 설명하기 위한 도면이다. 도 6과 같이, 냉매순환기(210)는 동작하지 않는다. 즉, 본 실내 난방에서 냉매순환라인(200)에는 냉매가 흐르지 않는다. 따라서, 냉매순환기(210)가 동작하지 않아서 전력 소모량을 감소할 수 있다. 냉각수순환라인(300)은 제6 열교환기(310)로 흐르는 냉각라인(302)과 제3 연결라인(302-3)을 제외하고 모두 연결되어 냉각수를 유통한다.
실내 난방을 위한 열원은 배터리(350)와 전장부품(460)이다. 실외가 온화한 날씨이기 때문에 실내 온도가 높은 것이 요구되지 않으며, 이에 따라 배터리(350)와 전장부품(460) 만으로도 난방이 가능하다. 추가 난방을 위해 전열히터(430)를 구동시킬 수도 있다.
그리고, 배터리(350)는 전장부품(460)에 의해 승온(warm up)된다. 만약 전장부품(460)의 온도가 배터리(350)를 충분히 승온시키지 못할 온도라면, 전열히터(430)가 구동하여 배터리(350)를 승온시킬 수도 있다. 배터리 승온은 배터리 충전시 충전 효율을 증가시킬 수 있는 효과도 있다.
정리해 보면, 온화한 날씨에서 실내 난방은 냉매의 유동 없이, 배터리(350) 및 전장부품(460)의 폐열로 가열된 냉각수로 한다. 냉매순환기(210)가 구동하지 않기 때문에 전력 소모량이 적은 장점이 있다.
또한, 전장부품(460) 또는 전열히터(430)에 의해 배터리(350)가 승온되기 때문에 배터리(350) 초기 동작 성능이 향상되는 장점이 있다.
최종 정리해 보면, 본 실시예는 기존 냉방은 물론 난방(히트펌프)까지 수행하기 위해 복잡한 냉매라인과 다양한 발열원(전장부품 및 배터리) 및 냉각원(라디에이터, 팬, 칠러)에 의해 복잡한 냉각수라인을 단순화시킨 구조이다. 또한, 냉매와 냉각수를 적절히 열교환시켜 냉/난방에 활용하며, 발열원을 냉각시키는데도 활용한다.
외기온에 따라 적절히 전력 소모원(압축기, 냉각수펌프)에 전력 공급을 차단하여 전력 소모량을 감소시키며, 이를 통해 전기차의 주행거리를 향상시킬 수 있다. 또한, 발열원의 폐열을 회수하는 구조로서, 전력 소모량을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
이상에서 설명된 본 실시예와 같은 열관리 시스템은 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 실시예에서 언급한 어큐뮬레이터(260)는 응축기인 제1 열교환기(220)와 제1 팽창기(225) 사이에 배치되는 리시버드라이어(receiver drier)로 대체될 수 있다.
또한, 냉매순환라인(200)에서 제2 열교환기(230)와 제1 팽창기(225)는, 경우에 따라 삭제도 가능하다. 즉, 제1 열교환기(220)로도 냉매의 응축이 충분히 가능하다면 냉매순환라인(200)이 단순히 압축기, 응축기, 팽창기, 증발기로만 구성시킬 수도 있다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (15)

  1. 냉매가 순환되는 냉매순환라인(200), 냉각수가 순환되는 냉각수순환라인(300)을 포함하는 열관리 시스템에 있어서,
    상기 냉매순환라인(200)은 차량의 냉방모드와 난방모드 시 동일한 방향으로 냉매가 흐르는 것을 특징으로 하는 열관리 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉매순환라인(200)은, 순차로
    냉매순환기(210); 냉각수와 냉매가 열교환되는 제1 열교환기(220); 제1 팽창기(225); 냉각수와 냉매가 열교환되는 제2 열교환기(230); 제2 팽창기(240); 냉각수와 냉매가 열교환되는 제3 열교환기(242); 상기 제2 팽창기(240)와 병렬로 연결되는 제3 팽창기(251) 및 상기 제3 팽창기(251)에 연결되는 제4 열교환기(252)를 포함하는 열관리 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 냉각수순환라인(300)은 난방라인(301)과 냉각라인(302)를 포함하는 열관리 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 난방라인(301)은,
    상기 제1 열교환기(220), 배터리(350), 전장부품(460) 중 어느 하나를 통해 가열된 냉각수의 온도가 적정치 이하일 경우 냉각수를 가열하는 전열히터(430);
    냉각수와 공기가 열교환되는 제5 열교환기(440);
    냉각수순환기(450) 및
    난방라인(301)과 냉각라인(302)을 선택적으로 연결하거나 차단하는 제1 방향전환기(420)를 포함하는 열관리 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 냉각라인(302)은,
    배터리(350);
    냉각수와 공기를 열교환하여 배터리(350) 및 전장부품(460)에 의해 가열된 냉각수를 냉각하는 제6 열교환기(310);
    냉각라인(302)의 냉각수를 순환시키는 제2 냉각수순환기(340) 및
    냉각라인(302)과 난방라인(301)을 연결시키는 제2 방향전환기(320)를 포함하는 열관리 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 냉각수순환라인(300)은,
    상기 냉각라인(302)의 냉각수가 상기 난방라인(301)으로 이동하도록 연결되는 제1 연결라인(302-1)을 포함하고,
    상기 제1 연결라인(302-1)에는,
    상기 제2 방향전환기(320) 및 제3 냉각수순환기(410)가 배치되는 열관리 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 냉각수순환라인(300)은,
    상기 난방라인(301)의 냉각수가 상기 냉각라인(302)으로 이동하도록 연결되는 제2 연결라인(302-2)을 포함하고,
    상기 제2 연결라인(302-2)에는, 냉각수에 의해 냉각되는 전장부품(460)이 배치되는 열관리 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 냉각수순환라인(300)은,
    상기 제4 열교환기(252)가 배치되어 냉각수를 냉각시키기 위한 제3 연결라인(302-3)을 포함하고,
    상기 제3 연결라인(302-3)은, 제3 방향전환기(360)에 의해 연결 여부가 결정되는 열관리 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제3 연결라인(302-3)에 배치된 상기 제4 열교환기(252)는, 배터리(350) 인근 냉각라인(302)의 냉각수와 직접 열교환되는 열관리 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    실내 냉방 모드 시, 상기 냉매순환기(210)의 동작에 따라, 냉매는
    상기 제1 열교환기(220)에서 냉각수와 열교환되어 냉각되고,
    상기 제1 팽창기(225)는 냉매를 바이패스 시켜 제2 열교환기(230)로 전달하고,
    상기 제2 열교환기(230)는 냉매를 공기와 열교환시켜 추가로 냉각하고,
    상기 제2 팽창기(240)는 냉매를 교축하고,
    상기 제3 열교환기(242)는 냉매를 증발시켜 실내를 냉방하고,
    냉각수는 제2 냉각수순환기(340), 제3 냉각수순환기(410), 냉각수순환기(450)에 의해 순환하며, 배터리(350), 전장부품(460) 및 제1 열교환기(220)의 열을 흡수하여 가열되고,
    냉각수에 의해 배터리(350), 전장부품(460) 및 제1 열교환기(220)의 냉매는 냉각되고,
    상기 제1 방향전환기(420)는, 상기 난방라인(301)과 상기 냉각라인(302)을 연결하는 방향으로 냉각수를 순환시켜 배터리(350), 전장부품(460), 제1 열교환기(220)는 냉각수에 의해 연결되어 냉각되는 열관리 시스템.
  11. 청구항 9에 있어서,
    실내 최대 냉방 모드 시, 상기 냉매순환기(210)의 동작에 따라,
    상기 제1 팽창기(225)는 냉매를 바이패스 시켜 제2 열교환기(230)로 전달하고,
    상기 제2 팽창기(240)는 냉매를 교축하고,
    상기 제3 열교환기(242)는 냉매를 증발시켜 실내를 냉방하고,
    상기 제4 열교환기(252)는 냉매와 냉각수를 열교환하고,
    냉각수는 제2 냉각수순환기(340), 제3 냉각수순환기(410), 냉각수순환기(450)에 의해 순환되되, 배터리(350), 전장부품(460) 및 제1 열교환기(220)의 열을 흡수하여 가열되고,
    냉각라인(302)은 제2 및 제3 방향전환기(320, 360)에 의해 전장부품(460)과 제1 열교환기(220)의 냉매를 냉각하기 위한 제1 연결라인(302-1)과 배터리(350)를 냉각하기 위한 제2 연결라인(302-2)으로 구분되는 열관리 시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    실내 최대 냉방 모드 시,
    상기 냉매순환기(210),
    응축기 역할을 하는 제1 열교환기(220), 제2 열교환기(230), 제2 팽창기(240) 및
    증발기 역할을 하는 제3 열교환기(242)로 이어지는 에어컨 루프를 형성하고,
    발열원 중 전장부품(460)의 냉각은 라디에이터(310)를 통한 공냉으로 이뤄지고, 배터리(350)의 냉각은 칠러(252)를 통한 냉매로 냉각되는 열관리 시스템
  13. 청구항 9에 있어서,
    실내 난방 모드 시, 상기 냉매순환기(210)의 동작에 따라,
    냉매는 상기 제1 열교환기(220)에서 냉각수와 열교환되어 냉각되고,
    상기 제1 팽창기(225)가 냉매를 교축하고,
    상기 제2 열교환기(230)는 냉매를 증발시키고,
    상기 제2 팽창기(240)는 제3 열교환기(242)로 흐르는 냉매를 차단하고,
    상기 제3 팽창기(251)는 냉매를 바이패스 시켜 제4 열교환기(252)로 전달하고,
    냉각수는 제1 및 제2 방향전환기(420, 320)에 의해 난방라인(301)과 냉각라인(302)이 각각 폐루프를 형성하고,
    상기 난방라인(301)은 제1 열교환기(220)에 의해 가열된 냉각수를 제5 열교환기(440)에 유통시켜 실내를 난방하고,
    냉각라인(302)은 배터리(350)와 전장부품(460)을 연결하는 폐루프로, 전장부품(460)을 배터리(350)의 승온용 발열원으로 사용하고,
    제6 열교환기(310)에는 냉각수를 유동시키지 않는 열관리 시스템.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 배터리(350)의 온도에 따라 제3 방향전환기(360) 및 제2 냉각수순환기(340)를 제어하여 배터리(350)와 전장부품(460)의 냉각수 흐름을 차단하거나 유속을 저감시키는 열관리 시스템.
  15. 청구항 9에 있어서,
    실내 난방 모드 시, 냉매순환기(210)는 동작하지 않고,
    상기 냉각수순환라인(300)은 상기 제6 열교환기(310)로 흐르는 냉각라인(302)과 제3 연결라인(302-3)을 제외하고 모두 연결되어 냉각수를 유통시키고,
    배터리(350)와 전장부품(460)을 실내 난방을 위한 열원으로 사용되는 열관리 시스템.
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