KR20220122390A - 차량용 열관리시스템 - Google Patents

Abstract

개시된 차량용 열관리시스템은, 제1압축기, 내측 응축기, 외측 응축기, 증발기, 상기 증발기의 상류측에 배치된 감온팽창밸브, 및 상기 감온팽창밸브로 유입되는 제1냉매의 흐름을 차단 내지 해제하도록 개폐되는 개폐밸브에 유체적으로 연결된 제1냉매루프를 가진 제1냉동사이클을 포함한 공조 서브시스템; 배터리팩에 유체적으로 연결된 배터리 냉각수루프를 포함한 배터리 냉각서브시스템; 제2압축기, 공랭식 응축기에 유체적으로 연결된 제2냉매루프를 가진 제2냉동사이클; 상기 제1냉매루프로부터 분기된 분기도관 및 상기 제2냉매루프 사이에서 열을 전달하도록 구성된 냉매칠러; 상기 제2냉매루프 및 상기 배터리 냉각수루프 사이에서 열을 전달하도록 구성된 배터리칠러; 상기 냉매칠러의 상류측에 배치된 제1전자팽창밸브; 및 상기 배터리칠러의 상류측에 배치된 제2전자팽창밸브;를 포함할 수 있다.

Description

차량용 열관리시스템{VEHICLE THERMAL MANAGEMENT SYSTEM}

본 발명은 차량용 열관리시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배터리의 냉각 성능을 향상할 수 있는 차량용 열관리시스템에 관한 것이다.

최근 에너지 효율과 환경오염 문제에 대한 관심이 날로 커지면서 내연기관 자동차를 실질적으로 대체할수 있는 친환경 자동차의 개발이 요구되고 있으며, 이러한 친환경 자동차는 보통 연료전지나 전기를 동력원으로 하여 구동되는 전기 자동차나, 엔진과 배터리를 이용하여 구동되는 하이브리드(Hybrid) 차량으로 구분된다.

기존의 전기차량 및 하이브리드차량은 실내의 차가운 공기를 이용한 공랭식 배터리 냉각시스템을 적용하여 왔으며, 최근에는 300km(200마일) 이상으로 AER(All Electric Range)를 연장하기 위하여 배터리를 수냉식으로 냉각하는 수냉식 배터리 냉각시스템에 대한 연구가 진행중에 있다. 구체적으로, 공조시스템 및 라디에이터 등을 이용하여 배터리를 수냉식으로 냉각하는 구조를 채택함으로써 에너지 밀도를 증대시킬 수 있다. 또한, 수냉식 배터리냉각시스템은 배터리셀들 사이의 간격을 줄임으로써 컴팩트한 배터리시스템(battery system)을 구현할 수 있고, 배터리셀들 사이의 온도를 균일하게 유지함으로써 배터리의 성능 및 내구성을 향상할 수 있다.

상술한 수냉식 배터리냉각시스템을 구현하기 위하여 전기모터 및 전장부품을 냉각하는 파워트레인 냉각서브시스템(power train cooling subsystem)과, 배터리를 냉각하는 배터리 냉각서브시스템(battery cooling subsystem)과, 차량의 승객실의 공기를 가열 내지 냉각하는 공조 서브시스템을 통합한 차량용 열관리시스템에 대한 연구가 진행되고 있다.

한편, 종래의 차량용 열관리시스템은 공조 서브시스템의 공조(air conditioning)가 안정적으로 진행된 이후에 배터리의 냉각을 실행하도록 구성된다. 최근에는, 전기차의 급속충전, 고성능 전기차 개발 등으로 인해 배터리의 냉각부하가 상대적으로 증가하고 있으므로, 공조 서브시스템의 냉동사이클을 이용한 배터리의 냉각효율이 상대적으로 저하될 수 있다. 이에, 배터리에 대해 증가하는 냉각부하에 적절히 대응할 수 있는 대안이 필요하다.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래 기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 안출한 것으로, 2개의 압축기를 이용한 2개의 냉매사이클을 적용함으로써 배터리의 냉각성능을 향상할 수 있는 차량용 열관리시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 차량용 열관리시스템은, 제1압축기, 내측 응축기, 외측 응축기, 증발기, 상기 증발기의 상류측에 배치된 감온팽창밸브, 및 상기 감온팽창밸브로 유입되는 제1냉매의 흐름을 차단 내지 해제하도록 개폐되는 개폐밸브에 유체적으로 연결된 제1냉매루프를 가진 제1냉동사이클을 포함한 공조 서브시스템; 배터리팩에 유체적으로 연결된 배터리 냉각수루프를 포함한 배터리 냉각서브시스템; 제2압축기, 공랭식 응축기에 유체적으로 연결된 제2냉매루프를 가진 제2냉동사이클; 상기 제1냉매루프로부터 분기된 분기도관 및 상기 제2냉매루프 사이에서 열을 전달하도록 구성된 냉매칠러; 상기 제2냉매루프 및 상기 배터리 냉각수루프 사이에서 열을 전달하도록 구성된 배터리칠러; 상기 냉매칠러의 상류측에 배치된 제1전자팽창밸브; 및 상기 배터리칠러의 상류측에 배치된 제2전자팽창밸브;를 포함할 수 있다.

상기 분기도관은 상기 제1냉매루프 상에서 상기 개폐밸브의 상류지점으로부터 분기되고 상기 제1압축기의 상류지점에 합류할 수 있다.

상기 냉매칠러는 상기 분기도관에 유체적으로 연결된 제1냉매통로와, 상기 제2냉매루프에 유체적으로 연결된 제2냉매통로를 포함할 수 있다.

상기 제1냉매통로는 상기 분기도관 상에서 상기 제1전자팽창밸브의 출구 및 상기 제1압축기의 입구 사이에 위치할 수 있다.

상기 제2냉매통로는 상기 제2냉매루프 상에서 상기 공랭식 응축기의 출구 및 상기 배터리칠러 사이에 위치할 수 있다.

상기 배터리칠러는 상기 배터리 냉각수루프에 유체적으로 연결된 제1통로와, 상기 제2냉매루프에 유체적으로 연결된 제2통로를 포함할 수 있다.

상기 제1통로는 상기 배터리 냉각수루프 상에서 상기 공랭식 응축기의 출구 및 상기 배터리팩 사이에 위치할 수 있다.

상기 제2통로는 상기 제2냉매루프 상에서 상기 냉매칠러의 하류 측에 위치할 수 있다.

상기 공랭식 응축기는 차량의 전방 그릴에 인접하게 배치될 수 있다.

상기 공조 서브시스템은 승객실을 향해 공기를 송풍하도록 구성된 공조덕트를 더 포함하고, 상기 증발기 및 상기 내측 응축기는 상기 공조덕트의 내부에 배치되며, 상기 외측 응축기는 상기 공조덕트의 외부에 배치될 수 있다.

상기 외측 응축기는 상기 배터리 냉각수루프를 순환하는 냉각수에 의해 제1냉매를 냉각하고 응축하도록 구성된 수냉식 응축기일 수 있다.

본 발명에 의하면, 공조 서브시스템의 제1냉동사이클에 대해 독립적으로 구성된 제2냉동사이클이 배터리 냉각수루프를 순환하는 냉각수를 냉각하도록 구성됨으로써 전기차의 급속충전, 고성능 전기차 개발 등으로 인해 증가하는 배터리의 냉각부하에 대해 효율적으로 대응할 수 있다. 즉, 배터리 냉각수루프를 순환하는 냉각수가 제2냉동사이클에 의해 독립적으로 냉각될 수 있으므로 배터리팩의 냉각성능이 개선될 수 있다.

본 발명에 의하면, 제2냉동사이클이 냉매칠러를 통해 공조 서브시스템의 제1냉동사이클에 열적으로 연결되고, 제2냉동사이클이 배터리칠러를 통해 배터리 냉각수루프에 열적으로 연결됨으로써 공조 서브시스템의 냉방작동 및 배터리팩의 냉각이 동시에 달성될 수 있다.

또한, 공조 서브시스템의 증발기가 사용되지 않는 경우에는 냉매칠러 측으로 유입되는 제1냉매의 유량을 상대적으로 증가시킬 수 있으므로, 제2냉매는 냉매칠러 및 배터리칠러를 통해 배터리 냉각수루프를 순환하는 냉각수의 냉각효율을 높일 수 있고, 이를 통해 배터리팩의 냉각성능이 더욱 개선될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 열관리시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에서 제1냉동사이클 및 제2냉동사이클만을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 열관리시스템의 PH선도이다.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 차량용 열관리시스템은, 차량의 승객실의 공기를 가열 내지 냉각하는 공조 서브시스템(11, HVAC subsystem)과, 배터리팩(32)을 냉각하는 배터리 냉각서브시스템(12, battery cooling subsystem)과, 전기모터(42) 및 전장부품(43)을 냉각하는 파워트레인 냉각서브시스템(13, power train cooling subsystem)을 포함할 수 있다.

공조 서브시스템(11)은 제1냉동사이클(21) 및 공조덕트(28)를 포함할 수 있다. 제1냉동사이클(21)은 제1냉매가 순환하는 제1냉매루프(22)를 포함할 수 있다. 제1냉매루프(22)는 제1압축기(23), 내측 응축기(24, interior condenser), 외측 응축기(25, exterior condenser), 감온팽창밸브(26), 증발기(27)에 유체적으로 연결될 수 있다. 제1냉매는 제1냉매루프(22)를 통해 제1압축기(23), 내측 응축기(24), 외측 응축기(25), 감온팽창밸브(26), 증발기(27)를 순차적으로 통과할 수 있다.

제1압축기(23)는 제1냉매를 압축하도록 구성될 수 있다. 일 예에 따르면, 제1압축기(23)는 전기에너지에 의해 구동하는 전동식 압축기일 수 있다.

내측 응축기(24)는 공조덕트(28)의 내부에 배치될 수 있다. 내측 응축기(24)는 제1압축기(23)로부터 수용받은 제1냉매(refrigerant received from)를 1차적으로 응축하도록 구성될 수 있고, 이에 내측 응축기(24)를 통과하는 공기는 내측 응축기(24)에 의해 가열될 수 있다.

외측 응축기(25)는 공조덕트(28)의 외부에 배치될 수 있고, 외측 응축기(25)는 내측 응축기(24)로부터 수용받은 냉매를 2차적으로 응축하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 외측 응축기(25)는 배터리 냉각서브시스템(12)의 배터리 냉각수루프(31)를 순환하는 냉각수 및 파워트레인 냉각서브시스템(13)의 파워트레인 냉각수루프(41)를 순환하는 냉각수에 의해 제1냉매를 냉각하고 응축하도록 구성된 수냉식 응축기일 수 있다.

내측 응축기(24)를 통과하는 제1냉매는 공조덕트(28)를 통과하는 공기에 의해 냉각 및 응축되고, 제1냉매 및 공기 사이의 온도차이가 상대적으로 작으므로 내측 응축기(24)에 의한 제1냉매의 응축효율이 매우 미미한 수준이다. 한편, 외측 응축기(25)를 통과하는 제1냉매는 냉각수에 의해 냉각 및 응축되고, 제1냉매 및 냉각수 사이의 온도 차이가 상대적으로 크므로 외측 응축기(25)에 의한 제1냉매의 응축효율이 상대적으로 큰 수준이다. 도 3과 같이 제1냉매의 대부분이 외측 응축기(25)에 의해 응축될 수 있다.

감온팽창밸브(26, Thermal Expansion Valve)는 제1냉매루프(22) 상에서 외측 응축기(25) 및 증발기(27) 사이에 배치될 수 있다. 감온팽창밸브(26)는 증발기(27)의 상류측에 배치됨으로써 증발기(27)로 유입되는 냉매의 흐름 내지 유량 등을 조절하고, 외측 응축기(25)로부터 수용한 냉매를 팽창시키도록 구성될 수 있다. 감온팽창밸브(26)는 냉매의 온도 및/또는 압력을 센싱하여 감온팽창밸브(26)의 개도를 조절하도록 구성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 개폐밸브(26a)가 제1냉매가 감온팽창밸브(26)로 흘러들어감을 선택적으로 차단 내지 해제하도록 구성될 수 있다. 일 예에 따르면, 개폐밸브(26a)는 솔레노이드 밸브일 수 있다. 제어기(100)가 개폐밸브(26a)를 제어함에 따라 개폐밸브(15a)는 개폐될 수 있고, 이에 감온팽창밸브(26)로 유입되는 냉매의 흐름을 차단(block) 내지 해제(unblock)할 수 있다. 개폐밸브(26a)가 개방됨에 따라 제1냉매가 감온팽창밸브(26) 및 증발기(27)로 흘러들어갈 수 있고, 개폐밸브(26a)가 폐쇄되면 제1냉매가 감온팽창밸브(26) 및 증발기(27)로 흘러들어감이 차단될 수 있다. 일 예에 따르면, 개폐밸브(26a)는 감온팽창밸브(26)의 밸브바디의 내부에 일체로 장착됨으로써 감온팽창밸브(26)의 내부유로를 개폐하도록 구성될 수 있다. 다른 예에 따르면, 개폐밸브(26a)는 감온팽창밸브(265)의 상류측에 배치됨으로써 감온팽창밸브(26)의 입구를 선택적으로 개폐하도록 구성될 수 있다.

증발기(27)는 감온팽창밸브(26)의 하류 측에 배치될 수 있고, 감온팽창밸브(26)에 의해 팽창된 제1냉매를 수용할 수 있다. 증발기(27)는 감온팽창밸브(26)로부터 수용받은 냉매에 의해 공기를 냉각하도록 구성될 수 있다.

공조덕트(28)는 차량의 승객실을 향해 공기를 송풍하도록 구성될 수 있고, 내측 응축기(24) 및 증발기(27)는 공조덕트(28) 내에 배치될 수 있다. 에어믹싱도어(29a)가 증발기(27) 및 내측 응축기(24) 사이에 배치될 수 있고, 내측 응축기(24)는 증발기(27)의 하류 측에 배치될 수 있으며, PTC히터(29b, Positive Temperature Coefficient heater)가 내측 응축기(24)의 하류 측에 배치될 수 있다.

개폐밸브(26a)가 폐쇄될 경우 감온팽창밸브(26)로 제1냉매의 흐름이 차단될 수 있고, 이에 제1냉매는 감온팽창밸브(26) 및 증발기(27) 측으로 유입되지 않고 냉매칠러(52) 측으로만 흘러갈 수 있다. 즉, 개폐밸브(26a)가 폐쇄될 경우에는 공조 서브시스템(11)의 냉방이 실행되지 않는다. 개폐밸브(26a)가 개방될 경우 제1냉매는 감온팽창밸브(26) 및 증발기(27) 측으로 흘러들어갈 수 있다. 즉, 개폐밸브(26a)가 개방될 경우에는 공조 서브시스템(11)의 냉방이 실행될 수 있다.

배터리 냉각서브시스템(12)은 냉각수가 순환하는 배터리 냉각수루프(31)를 포함할 수 있다. 배터리 냉각수루프(31)는 배터리팩(32), 배터리칠러(33), 제1순환펌프(34), 제2순환펌프(35), 배터리 라디에이터(36)에 유체적으로 연결될 수 있다. 도 1에서, 냉각수는 배터리 냉각수루프(31)를 통해 배터리팩(32), 배터리칠러(33), 배터리 라디에이터(36), 배터리팩(32) 순으로 흐를 수 있다.

배터리팩(32)은 그 내부 또는 외부에 냉각수가 통과하는 냉각수통로를 가질 수 있고, 배터리 냉각수루프(31)가 배터리팩(32)의 냉각수통로에 유체적으로 연결될 수 있다.

배터리칠러(33)는 배터리팩(32)의 냉각수통로로부터 수용받은 냉각수를 냉각하도록 구성될 수 있다.

배터리 라디에이터(36)는 차량의 전방 그릴에 인접하게 배치될 수 있고, 배터리 라디에이터(36)는 냉각팬(46)에 의해 강제로 송풍되는 외기를 통해 냉각될 수 있다. 이에 냉각수는 배터리 라디에이터(36)에 의해 냉각될 수 있다.

제1순환펌프(34) 및 제2순환펌프(35)는 배터리 냉각수루프(31) 상에서 배터리 라디에이터(36) 및 배터리팩(32) 사이에 배치될 수 있고, 제1순환펌프(34) 및 제2순환펌프(35)는 냉각수를 순환시키도록 구성된 전동펌프일 수 있다. 제1순환펌프(34)는 배터리팩(32)에 인접하고, 제2순환펌프(35)는 배터리 라디에이터(36)에 인접할 수 있다.

배터리 냉각서브시스템(12)은 냉각수가 배터리 라디에이터(36)를 우회함을 허용하도록 구성된 제1배터리 바이패스도관(37)을 더 포함할 수 있다. 제1배터리 바이패스도관(37)은 배터리 냉각수루프(31) 상에서 배터리 라디에이터(36)의 상류지점과 배터리 라디에이터(36)의 하류지점을 직접적으로 연결하도록 구성될 수 있다.

제1배터리 바이패스도관(37)의 입구는 배터리 냉각수루프(31) 상에서 배터리칠러(33) 및 배터리 라디에이터(36)의 입구 사이의 지점에 연결될 수 있다. 제1배터리 바이패스도관(37)의 출구는 배터리 냉각수루프(31) 상에서 배터리팩(32) 및 배터리 라디에이터(36)의 출구 사이의 지점에 연결될 수 있다. 구체적으로, 제1배터리 바이패스도관(37)의 출구는 배터리 냉각수루프(31) 상에서 제2순환펌프(35)의 출구 및 제1순환펌프(34)의 입구 사이의 지점에 연결될 수 있다.

냉각수가 배터리칠러(33)의 하류 측으로부터 제1배터리 바이패스도관(37)을 통해 제1순환펌프(34)의 상류 측으로 흘러감으로써 냉각수는 제2순환펌프(35), 배터리 라디에이터(36), 및 외측 응축기(25)를 우회할 수 있고, 이에 제1배터리 바이패스도관(37)을 통과하는 냉각수는 제1순환펌프(34)에 의해 배터리팩(32), 배터리칠러(33) 순으로 흐를 수 있다.

배터리 냉각서브시스템(12)은 냉각수가 배터리팩(32), 및 배터리칠러(33)를 우회함을 허용하도록 구성된 제2배터리 바이패스도관(38)을 더 포함할 수 있다. 제2배터리 바이패스도관(38)은 배터리 냉각수루프(31) 상에서 배터리칠러(33)의 하류지점과 배터리팩(32)의 상류지점을 직접적으로 연결하도록 구성될 수 있다.

제2배터리 바이패스도관(38)의 입구는 배터리 냉각수루프(31) 상에서 제1배터리 바이패스도관(38)의 출구 및 배터리 라디에이터(36)의 출구 사이의 지점에 연결될 수 있다. 구체적으로, 제2배터리 바이패스도관(38)의 입구는 배터리 냉각수루프(31) 상에서 제1배터리 바이패스도관(37)의 출구 및 제2순환펌프(35)의 출구 사이의 지점에 연결될 수 있다.

제2배터리 바이패스도관(38)의 출구는 배터리 냉각수루프(31) 상에서 제1배터리 바이패스도관(37)의 입구 및 배터리 라디에이터(36)의 입구 사이의 지점에 연결될 수 있다.

냉각수가 배터리 라디에이터(36)의 하류 측으로부터 제2배터리 바이패스도관(38)을 통해 배터리 라디에이터(36)의 상류 측으로 흘러감으로써 냉각수는 배터리팩(32), 및 배터리칠러(33)를 우회할 수 있고, 이에 제2배터리 바이패스도관(38)을 통과하는 냉각수는 제2순환펌프(35)에 의해 배터리 라디에이터(36), 외측 응축기(25) 순으로 순차적으로 흐를 수 있다.

제1배터리 바이패스도관(37) 및 제2배터리 바이패스도관(38)은 서로 간에 평행할 수 있다.

배터리 냉각서브시스템(12)은 제1배터리 바이패스도관(37)의 입구에 배치된 쓰리웨이밸브(39)를 더 포함할 수 있다. 즉, 쓰리웨이밸브(39)는 제1배터리 바이패스도관(37)의 입구 및 배터리 냉각수루프(31) 사이의 합류지점에 배치될 수 있다. 제1순환펌프(34) 및 제2순환펌프(35)는 쓰리웨이밸브(39)의 스위칭작동에 따라 선택적으로 작동할 수 있다. 예컨대, 쓰리웨이밸브(39)가 제1배터리 바이패스도관(37)의 입구를 개방할 경우 일부의 냉각수는 제1배터리 바이패스도관(37)을 통해 흐름으로써 배터리 라디에이터(36)를 우회할 수 있고, 나머지의 냉각수는 제2배터리 바이패스도관(38)을 통해 흐름으로써 배터리팩(32) 및 배터리칠러(33)를 우회할 수 있다. 쓰리웨이밸브(39)가 제1배터리 바이패스도관(37)의 입구를 폐쇄할 경우 냉각수는 제1배터리 바이패스도관(37) 및 제2배터리 바이패스도관(38)을 통과하지 않는다. 즉, 냉각수는 쓰리웨이밸브(39)의 스위칭작동에 의해 제1배터리 바이패스도관(37) 및 제2배터리 바이패스도관(38)을 선택적으로 통과할 수 있다. 제1배터리 바이패스도관(37)을 통과하는 냉각수는 제2순환펌프(35), 배터리 라디에이터(36) 및 외측 응축기(25)를 우회하고 제1순환펌프(34)에 의해 배터리팩(32) 및 배터리칠러(33) 순으로 통과할 수 있다. 제2배터리 바이패스도관(38)을 통과하는 냉각수는 제1순환펌프(34), 배터리팩(32), 및 배터리칠러(33)를 우회하고 제2순환펌프(35)에 의해 배터리 라디에이터(36) 및 외측 응축기(25) 순으로 통과할 수 있다.

파워트레인 냉각서브시스템(13)은 냉각수가 순환하는 파워트레인 냉각수루프(41)를 포함할 수 있다. 파워트레인 냉각수루프(41)는 전기모터(42), 전장부품(43), 파워트레인 라디에이터(44), 제3순환펌프(45)에 유체적으로 연결될 수 있다. 도 1에서, 냉각수는 파워트레인 냉각수루프(41)를 통해 전기모터(42), 전장부품(43), 제3순환펌프(45), 파워트레인 라디에이터(44) 순으로 흐를 수 있다.

전기모터(42)는 그 내부 또는 외부에 냉각수가 통과하는 냉각수통로를 가질 수 있고, 파워트레인 냉각수루프(41)는 전기모터(42)의 냉각수통로에 유체적으로 연결될 수 있다.

전장부품(43)은 인버터, OBC, LDC 등과 같은 하나 이상의 전장부품일 수 있다.

파워트레인 라디에이터(44)는 차량의 전방그릴에 인접하게 배치될 수 있고, 파워트레인 라디에이터(44)는 냉각팬(46)에 의해 강제로 송풍되는 외기를 통해 냉각될 수 있으며, 이에 냉각수는 파워트레인 라디에이터(44)에 의해 냉각될 수 있다.

제3순환펌프(45)는 전기모터(42) 및 전장부품(43)의 상류 측에 배치될 수 있고, 제3순환펌프(45)는 파워트레인 냉각수루프(41) 상에서 냉각수를 순환시키는 전동펌프일 수 있다. 제3순환펌프(45)의 작동은 제어기(100)에 의해 제어될 수 있다.

도 1을 참조하면, 외측 응축기(25)는 공조 서브시스템(11)의 제1냉매루프(22)와 유체적으로 연결된 제1통로(25a)와, 배터리 냉각수루프(31)와 유체적으로 연결된 제2통로(25b)와, 파워트레인 냉각수루프(41)와 유체적으로 연결된 제3통로(25c)를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 차량용 열관리시스템(10)은 배터리 냉각서브시스템(12)의 배터리칠러(33)에 유체적으로 연결된 제2냉동사이클(14)을 더 포함할 수 있다. 제2냉동사이클(14)은 공조 서브시스템(11)의 제1냉동사이클(21)과 열적으로 연결될 수 있다.

제2냉동사이클(14)은 제2냉매가 순환하는 제2냉매루프(61)를 포함할 수 있다. 제2냉매루프(61)는 제2압축기(62), 공랭식 응축기(63), 냉매칠러(52), 제2전자팽창밸브(65), 및 배터리칠러(33)에 유체적으로 연결될 수 있다. 제2냉매는 제2냉매루프(61)를 통해 제2압축기(62), 공랭식 응축기(63), 냉매칠러(52), 제2전자팽창밸브(65), 및 배터리칠러(33)를 순차적으로 통과할 수 있다.

제2압축기(62)는 제2냉매를 압축하도록 구성될 수 있다. 일 예에 따르면, 제2압축기(62)는 전기에너지에 의해 구동하는 전동식 압축기일 수 있다.

공랭식 응축기(63)는 차량의 전방 그릴에 인접하게 배치될 수 있다. 공랭식 응축기(63)는 냉각팬(46)에 의해 강제로 송풍되는 외기를 통해 냉각될 수 있으며, 이에 의해 제2압축기(62)에 의해 압축된 제2냉매는 공랭식 응축기(63)에 의해 냉각되고 응축될 수 있다. 공랭식 응축기(63)가 제2냉동사이클(14)의 응축기로서 적용됨으로써 제2냉동사이클(14)의 효율을 개선할 수 있다.

배터리 라디에이터(36), 파워트레인 라디에이터(44), 및 공랭식 응축기(63)는 차량의 전방 측에 서로 인접하게 배치됨으로써 차량의 전방에 쿨링모듈을 구성할 수 있고, 냉각팬(46)은 공랭식 응축기(63), 배터리 라디에이터(36), 및 파워트레인 라디에이터(44)의 후방 측에 배치될 수 있다.

공조 서브시스템(11)의 제1냉동사이클(21)은 제1냉매루프(22)로부터 분기된 분기도관(51)을 더 포함할 수 있다. 분기도관(51)은 개폐밸브(26a)의 상류지점으로부터 분기되고 제1압축기(23)의 상류지점에 합류될 수 있다. 즉, 분기도관(51)은 개폐밸브(26a)의 상류지점과 제1압축기(23)의 상류지점을 직접적으로 연결할 수 있고, 이에 분기도관(51)을 통과하는 냉각수는 감온팽창밸브(26) 및 증발기(27)로 흘러들어가지 않는다. 냉매칠러(52) 및 제1전자팽창밸브(53, first electronic expansion valve)가 분기도관(51)에 설치될 수 있고, 제1전자팽창밸브(53)는 냉매칠러(52)의 상류에 위치할 수 있다. 이에 제1냉매의 일부는 감온팽창밸브(26)를 통해 증발기(27)로 흘러들어갈 수 있고, 제1냉매의 나머지는 제1전자팽창밸브(53)를 거쳐 냉매칠러(52)로 흘러들어갈 수 있다. 제1냉동사이클(21)은 냉매칠러(52)를 통해 제2냉동사이클(14)과 열적으로 연결될 수 있다.

냉매칠러(52)는 제1냉동사이클(21)의 분기도관(51) 및 제2냉동사이클(14)의 제2냉매루프(61) 사이에서 열을 전달하도록 구성될 수 있다. 특히, 냉매칠러(52)는 분기도관(51)을 순환하는 제1냉매 및 제2냉동사이클(14)의 제2냉매루프(61)를 순환하는 제2냉매 사이에서 열을 전달할 수 있다. 냉매칠러(52)는 분기도관(51)에 유체적으로 연결된 제1냉매통로(52a)와, 제2냉매루프(61)에 유체적으로 연결된 제2냉매통로(52b)를 포함할 수 있다. 제1냉매통로(52a)가 분기도관(51) 상에서 제1전자팽창밸브(53)의 출구 및 제1압축기(23)의 입구 사이에 위치할 수 있고, 이에 제1냉매통로(52a)는 제1전자팽창밸브(53)의 출구 및 제1압축기(23)의 입구를 연결할 수 있다. 제2냉매통로(52b)가 제2냉매루프(61) 상에서 공랭식 응축기(63)의 출구 및 배터리칠러(33) 사이에 위치할 수 있고, 이에 제2냉매통로(52b)는 공랭식 응축기(63)의 출구 및 배터리칠러(33)를 연결할 수 있다. 제1냉매통로(52a) 및 제2냉매통로(52b)가 냉매칠러(52) 내에서 서로 인접하거나 접촉하도록 배치됨으로써 제1냉매통로(52a)는 제2냉매통로(52b)에 대해 열적으로 연결될 수 있으며, 제1냉매통로(52a)는 제2냉매통로(52b)에 대해 유체적으로 분리될 수 있다. 이에, 냉매칠러(52)는 제1냉매통로(52a)를 통과하는 제1냉매 및 제2냉매통로(52b)를 통과하는 제2냉매 사이에서 열을 전달할 수 있다. 제2냉매통로(52b)를 통과하는 제2냉매의 온도가 제1냉매통로(52a)를 통과하는 제1냉매의 온도 보다 상대적으로 높으므로 열이 제2냉매통로(52b)를 통과하는 제2냉매로부터 제1냉매통로(52a)를 통과하는 제1냉매로 전달되고, 이에 냉매칠러(52)의 제2냉매통로(52b)를 통과하는 제2냉매는 냉각되고 응축되며, 냉매칠러(52)의 제1냉매통로(52a)를 통과하는 제1냉매는 증발(기화)된다. 냉매칠러(52)의 제1냉매통로(52a)는 제1냉동사이클(21)에서 증발기의 기능을 하고, 이에 제1냉매통로(52a)를 포함한 영역은 증발기(52c)를 구성할 수 있다. 냉매칠러(52)의 제2냉매통로(52b)는 제2냉동사이클(14)에서 응축기의 기능을 하고, 이에 제2냉매통로(52b)를 포함한 영역은 응축기(52d)를 구성할 수 있다. 이를 통해, 냉매칠러(52)는 증발기(52c) 및 응축기(52d)가 통합된 구조로 구성될 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 제2압축기(62)에 의해 압축된 제2냉매는 공랭식 응축기(63)에 의해 1차적으로 응축되고 냉매칠러(52)에 의해 2차적으로 응축됨으로써 제2냉매의 냉각 및 응축효율이 향상될 수 있다.

제1전자팽창밸브(53)는 분기도관(51) 상에서 냉매칠러(52)의 제1냉매통로(52a)의 상류 측에 배치될 수 있다. 제1전자팽창밸브(53)는 냉매칠러(52)의 제1냉매통로(52a)로 유입되는 제1냉매의 흐름 내지 유량 등을 조절할 수 있고, 제1전자팽창밸브(53)는 외측 응축기(25)로부터 수용한 냉매를 팽창시키도록 구성될 수 있다. 일 예에 따르면, 제1전자팽창밸브(53)는 구동모터(53a)를 가질 수 있고, 구동모터(53a)는 제1전자팽창밸브(53)의 밸브바디 내에서 한정된 내부유로를 개폐하도록 이동하는 샤프트를 가질 수 있고, 샤프트의 위치는 구동모터(53a)의 회전방향 및 회전정도 등에 따라 가변될 수 있으며, 이에 의해 제1전자팽창밸브(53)의 내부유로에 대한 개도가 가변될 수 있다. 제어기(100)는 구동모터(53a)의 작동을 제어할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제어기(100)는 FATC(Full Automatic Temperature Control System)일 수 있다.

제1전자팽창밸브(53)의 개도가 가변됨에 따라 냉매칠러(52)의 제1냉매통로(52a)로 유입되는 냉매의 유량이 가변될 수 있다. 예컨대, 제1전자팽창밸브(53)의 개도가 기준개도 보다 커질 경우 냉매칠러(52)의 제1냉매통로(52a)로 유입되는 냉매의 유량이 기준유량 보다 상대적으로 증가할 수 있고, 제1전자팽창밸브(53)의 개도가 기준개도 보다 작을 경우 냉매칠러(52)의 제1냉매통로(52a)로 유입되는 냉매의 유량이 기준유량과 유사해지거나 기준유량 보다 상대적으로 감소할 수 있다. 제1전자팽창밸브(53)의 개도가 제어기(100)에 의해 조절됨에 따라, 냉매는 증발기(27) 및 냉매칠러(52) 측으로 일정 비율로 분배될 수 있고, 이를 통해 공조 서브시스템(11)의 냉방 및 배터리칠러(33)의 냉각이 동시에 또는 선택적으로 실행될 수 있다. 제어기(100)는 공조 서브시스템(11)의 개폐밸브(26a), 제1전자팽창밸브(53), 제1압축기(23) 등의 개별적인 작동을 제어하도록 구성될 수 있고, 이를 통해 공조 서브시스템(11)은 제어기(100)에 의해 그 전체적인 작동이 제어될 수 있다.

배터리칠러(33)는 제2냉동사이클(14)의 제2냉매루프(61) 및 배터리 냉각서브시스템(12)의 배터리 냉각수루프(31) 사이에서 열을 전달하도록 구성될 수 있다. 특히, 배터리칠러(33)는 제2냉동사이클(14)의 제2냉매루프(61)를 순환하는 제2냉매 및 배터리 냉각수루프(31)를 통과하는 냉각수 사이에 열을 전달하도록 구성될 수 있다. 배터리칠러(33)는 배터리 냉각수루프(31)에 유체적으로 연결된 제1통로(33a)와, 제2냉동사이클(14)의 제2냉매루프(61)에 유체적으로 연결된 제2통로(33b)를 포함할 수 있다. 제1통로(33a)는 배터리 냉각수루프(31) 상에서 배터리 라디에이터(36)의 출구 및 배터리팩(32) 사이에 위치할 수 있고, 제2통로(33b)는 제2냉매루프(61) 상에서 공랭식 응축기(63)의 출구 및 제2압축기(62)의 입구 사이에 위치할 수 있다. 제1통로(33a) 및 제2통로(33b)가 배터리칠러(33) 내에서 서로 인접하거나 접촉하도록 배치됨으로써 제1통로(33a)는 제2통로(33b)에 대해 열적으로 연결될 수 있으며, 제1통로(33a)는 제2통로(33b)에 대해 유체적으로 분리될 수 있다. 이에, 배터리칠러(33)는 제1통로(33a)를 통과하는 냉각수 및 제2통로(33b)를 통과하는 냉매 사이에서 열을 전달할 수 있다.

배터리칠러(33)의 제2통로(33b)는 제2냉매루프(61) 상에서 냉매칠러(52)의 제2냉매통로(52b)의 하류 측에 위치할 수 있고, 이에 배터리칠러(33)의 제2통로(33b)는 냉매칠러(52)의 제2냉매통로(52b)로부터 제2냉매를 수용받을 수 있다. 제2통로(33b)를 통과하는 제2냉매의 온도가 제1통로(33a)를 통과하는 냉각수의 온도 보다 낮으므로 냉각수는 배터리칠러(33)에 의해 냉각될 수 있다. 배터리칠러(33)에 의해 냉각된 냉각수는 배터리 라디에이터(36)에 의해 냉각된 이후에 배터리팩(32)의 냉각수통로를 흘러들어감으로써 배터리팩(32)이 최적으로 냉각될 수 있다.

제2전자팽창밸브(65)는 제2냉매루프(61) 상에서 배터리칠러(33)의 제2통로(33b)의 상류 측에 위치할 수 있고, 제2전자팽창밸브(65)는 배터리칠러(33)의 제2통로(33b)로 유입되는 냉매의 흐름 내지 유량 등을 조절할 수 있고, 제2전자팽창밸브(65)는 공랭식 응축기(63)로부터 수용받은 냉매를 팽창시키도록 구성될 수 있다. 일 예에 따르면, 제2전자팽창밸브(65)는 구동모터(65a)를 가질 수 있고, 구동모터(65a)는 제2전자팽창밸브(65)의 밸브바디 내에서 한정된 내부유로를 개폐하도록 이동하는 샤프트를 가질 수 있고, 샤프트의 위치는 구동모터(65a)의 회전방향 및 회전정도 등에 따라 가변될 수 있으며, 이에 의해 제2전자팽창밸브(65)의 내부유로에 대한 개도가 가변될 수 있다. 제어기(100)는 구동모터(65a)의 작동을 제어할 수 있다.

이와 같이, 배터리 냉각수루프(31)를 순환하는 냉각수는 제2냉동사이클(14), 냉매칠러(52), 및 배터리칠러(33)에 의해 그 냉각효율을 개선할 수 있고, 이를 통해 배터리팩(32)의 냉각성능이 향상될 수 있다.

배터리 냉각서브시스템(12)은 배터리 관리시스템(110, BATTERY MANAGEMENT SYSTEM)에 의해 제어되도록 구성될 수 있다. 배터리 관리시스템(110)은 배터리팩(32)의 상태를 모니터링하고, 배터리팩(32)의 온도가 설정온도 이상으로 높아질 경우 배터리팩(32)의 냉각을 실행하도록 구성될 수 있다. 배터리 관리시스템(110)은 제어기(100)에 대해 배터리팩(32)의 냉각작동을 지시하는 명령을 전송할 수 있고, 이에 제어기(100)는 제2압축기(62)의 작동 및 전자팽창밸브(53, 65)들의 개방을 제어할 수 있다. 배터리팩(32)의 냉각작동 도중에 공조 서브시스템(11)의 작동이 필요하지 않은 경우에는 제어기(100)는 개폐밸브(26a)의 폐쇄를 제어할 수 있다. 또한, 필요에 따라 냉각수가 배터리 라디에이터(36)를 우회하고 배터리팩(32) 및 배터리칠러(33)를 순환하도록 배터리관리시스템(110)은 제1순환펌프(34)의 작동 및 쓰리웨이밸브(39)의 스위칭작동을 제어할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 제1냉매 및 제2냉매는 서로 다른 냉매일 수 있다. 예컨대, 제1냉매는 R1234yf(hydrofluoroolefin (HFO) refrigerant)일 수 있고, 제2냉매는 R290(Propane)일 수 있다. 이에 제1냉동사이클(21)의 효율 및 제2냉동사이클(14)의 효율이 개별적으로 향상될 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 제1냉매는 제2냉매와 동일한 냉매일 수도 있다.

일 실시예에 따르면, 제1압축기(23)의 용량은 제2압축기(62)의 용량과 다를 수 있다. 특히, 제1압축기(23)는 냉매칠러(52) 및 증발기(27)에 유체적으로 연결되고, 제2압축기(62)는 배터리칠러(33)에 유체적으로 연결되므로, 제1압축기(23)의 용량이 제2압축기(62)의 용량 보다 클 수 있다. 예컨대, 제1압축기(23)의 용량이 27cc일 수 있고, 제2압축기(62)의 용량은 20cc일 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 제1압축기(23)의 용량이 제2압축기(62)의 용량과 도일할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.

따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

11: 공조 서브시스템 12: 배터리 냉각서브시스템
13: 파워트레인 냉각서브시스템 14: 제2냉동사이클
21: 제1냉동사이클 22: 제1냉매루프
23: 제1압축기 24: 내측 응축기
25: 외측 응축기 26: 감온팽창밸브
26a: 개폐밸브 27: 증발기
28: 공조덕트 29a: 에어믹싱도어
29b: PTC히터 31: 배터리 냉각수루프
32: 배터리팩 33: 배터리칠러
34: 제1순환펌프 35: 제2순환펌프
36: 배터리 라디에이터 37: 제1배터리 바이패스도관
38: 제2배터리 바이패스도관 39: 쓰리웨이밸브
41: 파워트레인 냉각수루프 42: 전기모터
43: 전장부품 44: 파워트레인 라디에이터
45: 제3순환펌프 46: 냉각팬
51: 분기도관 52: 냉매칠러
52a: 제1냉매통로 52b: 제2냉매통로
53: 제1전자팽창밸브 61: 제2냉매루프
62: 제2압축기 63: 공랭식 응축기
65: 제2전자팽창밸브

Claims (11)

1. 제1압축기, 내측 응축기, 외측 응축기, 증발기, 상기 증발기의 상류측에 배치된 감온팽창밸브, 및 상기 감온팽창밸브로 유입되는 제1냉매의 흐름을 차단 내지 해제하도록 개폐되는 개폐밸브에 유체적으로 연결된 제1냉매루프를 가진 제1냉동사이클을 포함한 공조 서브시스템;
   배터리팩에 유체적으로 연결된 배터리 냉각수루프를 포함한 배터리 냉각서브시스템;
   제2압축기, 공랭식 응축기에 유체적으로 연결된 제2냉매루프를 가진 제2냉동사이클;
   상기 제1냉매루프로부터 분기된 분기도관 및 상기 제2냉매루프 사이에서 열을 전달하도록 구성된 냉매칠러;
   상기 제2냉매루프 및 상기 배터리 냉각수루프 사이에서 열을 전달하도록 구성된 배터리칠러;
   상기 냉매칠러의 상류측에 배치된 제1전자팽창밸브; 및
   상기 배터리칠러의 상류측에 배치된 제2전자팽창밸브;를 포함하는 차량용 열관리시스템.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 분기도관은 상기 제1냉매루프 상에서 상기 개폐밸브의 상류지점으로부터 분기되고 상기 제1압축기의 상류지점에 합류하는 차량용 열관리시스템.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 냉매칠러는 상기 분기도관에 유체적으로 연결된 제1냉매통로와, 상기 제2냉매루프에 유체적으로 연결된 제2냉매통로를 포함하는 차량용 열관리시스템.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 제1냉매통로는 상기 분기도관 상에서 상기 제1전자팽창밸브의 출구 및 상기 제1압축기의 입구 사이에 위치하는 차량용 열관리시스템.
5. 청구항 3에 있어서,
   상기 제2냉매통로는 상기 제2냉매루프 상에서 상기 공랭식 응축기의 출구 및 상기 배터리칠러 사이에 위치하는 차량용 열관리시스템.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 배터리칠러는 상기 배터리 냉각수루프에 유체적으로 연결된 제1통로와, 상기 제2냉매루프에 유체적으로 연결된 제2통로를 포함하는 차량용 열관리시스템.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 제1통로는 상기 배터리 냉각수루프 상에서 상기 공랭식 응축기의 출구 및 상기 배터리팩 사이에 위치하는 차량용 열관리시스템.
8. 청구항 6에 있어서,
   상기 제2통로는 상기 제2냉매루프 상에서 상기 냉매칠러의 하류 측에 위치하는 차량용 열관리시스템.
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 공랭식 응축기는 차량의 전방 그릴에 인접하게 배치되는 차량용 열관리시스템.
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 공조 서브시스템은 승객실을 향해 공기를 송풍하도록 구성된 공조덕트를 더 포함하고,
    상기 증발기 및 상기 내측 응축기는 상기 공조덕트의 내부에 배치되며, 상기 외측 응축기는 상기 공조덕트의 외부에 배치되는 차량용 열관리시스템.
11. 청구항 1에 있어서,
    상기 외측 응축기는 상기 배터리 냉각수루프를 순환하는 냉각수에 의해 제1냉매를 냉각하고 응축하도록 구성된 수냉식 응축기인 차량용 열관리시스템.

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