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KR101933166B1 - 차량 공조 장치 및 차량 배터리의 온도 조절을 위해 상기 차량 공조 장치를 제어하기 위한 방법 - Google Patents

차량 공조 장치 및 차량 배터리의 온도 조절을 위해 상기 차량 공조 장치를 제어하기 위한 방법 Download PDF

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KR101933166B1
KR101933166B1 KR1020150186173A KR20150186173A KR101933166B1 KR 101933166 B1 KR101933166 B1 KR 101933166B1 KR 1020150186173 A KR1020150186173 A KR 1020150186173A KR 20150186173 A KR20150186173 A KR 20150186173A KR 101933166 B1 KR101933166 B1 KR 101933166B1
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마크 그라프
토니 스피스
제랄드 릭터
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한온시스템 주식회사
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Abstract

본 발명은 적어도 압축기(2), 가스 냉각기/응축기(3), 팽창 밸브(5), 증발기(6) 그리고 상기 컴포넌트들을 연결하기 위한 냉매 라인들을 포함하는 냉매 회로(1)를 갖는 차량 공조 장치에 관한 것으로서, 이러한 차량 공조 장치는 냉매 유동 방향으로 상기 팽창 밸브(5) 앞에 중간 팽창 밸브(7)가 배치되어 있고, 그리고 상기 팽창 밸브(5, 7)들 사이에 차량 배터리의 온도 조절을 위한 열교환기(8)가 배치된 것을 특징으로 한다. 본 발명은 또한 차량 배터리를 가열 또는 냉각하기 위한 방법과도 관련이 있다.

Description

차량 공조 장치 및 차량 배터리의 온도 조절을 위해 상기 차량 공조 장치를 제어하기 위한 방법 {VEHICLE AIR CONDITIONING SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING THE VEHICLE AIR CONDITIONING SYSTEM FOR THE TEMPERATURE CONTROL OF A VEHICLE BATTERY}
본 발명은 차량 공조 장치 및 차량 배터리의 온도 조절을 제어하기 위한 방법에 관한 것이다.
차량 공조 장치들, 전기 자동차와 하이브리드 자동차의 공기 조화를 위해 초소형으로 설계된 차량 공조 장치들은 종래 기술의, 예를 들면 DE 10 2009 028 522 A1호 및 DE 10 2011 052 752 A1호에 공지되어 있다. 상기와 같은 공조 장치들에서, 차량 실내 냉방 또는 난방 목적을 갖는 전기 자동차와 하이브리드 자동차의 공기 조화는 특히 상기 전기 자동차와 하이브리드 자동차의 경우 차량 실내를 난방하기 위한 구동 장치의 폐열 발생이 부분적으로 충분하지 않다는 점을 특히 고려하여 개발되었다.
차량의 배터리 냉각을 위해서, 종래 기술에서는 냉각수 회로들이 사용되는데, 이러한 냉각수 회로들은 칠러(chiller)로도 표현되는 열교환기에 의해 차량 공조 장치의 냉각 회로 구조에 연결되어 있다.
DE 10 2012 100 525 A1호에는 냉각 장치와 열펌프가 연결된 자동차 냉매 회로가 제시되며, 이 경우 배터리를 냉각하기 위한 열교환기가 제공된 별도의 냉각재 회로가 형성되어 있다.
차량 배터리를 가열하기 위하여, 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차의 종래 기술에는 전기 가열 시스템들이 제공되어 있고, 이러한 전기 가열 시스템들은 접촉식 가열 방법으로 차량 배터리를 직접 가열하거나 전기 라디에이터를 통해 간접적으로 열 전달 매체 회로의 온도를 조절하며, 이때 이러한 열 전달 매체 회로 내에는 차량 배터리의 온도를 조절하기 위한 열교환기가 통합되어 있다.
종래 기술에 공지된 소형 공조 장치들의 단점은, 주로 차량 실내 공기 조화 목적이 중심을 이루고, 그리고 배터리 냉각 및 가열과 같은 전기 자동차와 하이브리드 자동차에서 중요한 기능들이 종래 기술에 따른 시스템에 의해 실현될 수 없거나 불충분한 정도로만 실현될 수 있다는 것이다. 공조 장치의 증발기와 병렬로 배터리 냉각을 위한 열교환기로서 칠러가 삽입되는 경우, 소형 공조 장치에서는 이러한 칠러의 위치를 변화시킬 수 있지만, 그러나 이러한 경우에는 배터리 냉각만 실현되고 배터리 가열은 실현되지 않는다.
따라서 본 발명의 과제는 추가적으로 차량 배터리의 온도를 조절할 수 있고 그리고 이러한 배터리 온도 조절에 적합한, 냉매 회로를 갖는 차량 공조 장치를 제공하는 것이다. 이 경우 상기 차량 공조 장치의 구조는 가능한 한 소형이고, 적은 수의 컴포넌트를 가지며 그리고 공조 장치의 에너지 효율적인 작동이 가능하게 설계되어야 한다. 본 발명의 관점에서 차량 배터리의 온도 조절은 차량 배터리의 가열 및 냉각을 선택적으로 실현할 수 있는 가능성을 의미한다.
상기 과제는 독립항들에 따른 특징들을 갖는 대상 및 방법에 의해 해결된다. 개선예들은 종속 청구항들에 제시되어 있다.
특히 상기 과제는 소형 구조로 설계된 차량 공조 장치에 의해 해결되며, 이 경우 상기 차량 공조 장치의 냉매 회로는 적어도 압축기, 가스 냉각기/응축기, 팽창 밸브, 증발기와 같은 컴포넌트들 그리고 이러한 컴포넌트들을 연결하기 위한 냉매 라인들을 갖는다. 또한, 상기 차량 공조 장치는 냉매 유동 방향으로 상기 팽창 밸브 앞에 중간 팽창 밸브가 배치되어 있고, 그리고 이러한 팽창 밸브들 사이에 차량 배터리의 온도 조절을 위한 열교환기가 배치된 것을 특징으로 한다. 따라서 상기 차량 배터리의 온도를 조절하기 위한 열교환기는 공조 장치의 냉매 회로에 직렬연결로 연결되어 있다. 상기 중간 팽창 밸브에 의해서는 차량 배터리로부터 요구되는 온도 레벨에 따라 상응하는 압력에 맞게 냉매 팽창이 이루어진다. 그러므로 차량 배터리 온도에 상대적인 온도 및 압력 레벨 상태에 따라, 차량 배터리는 열교환기를 통해서 가열 또는 냉각될 수 있다. 이는 자연히, 온도 제어 및 조절을 위해 상응하는 수단들이 제공되어 있음을 의미한다.
바람직하게 차량 배터리는 냉매 회로의 팽창 밸브들 사이에 있는 차량 배터리의 열교환기를 통해 즉각 그리고 직접적으로 가열 또는 냉각된다. 이러한 방법에 의해 열 손실이 거의 없는 차량 배터리 온도 조절이 가능하다. 또한, 이러한 형성예에서는 차량 배터리의 온도 조절을 위해 매우 적은 수의 컴포넌트만 필요하다.
전술한 형성예에 대안적으로, 차량 배터리를 간접적으로 가열 또는 냉각하기 위한 열교환기는 한편으로는 냉매 회로에 배치되어 있고, 다른 한편으로는 냉매 회로와는 별도로 배터리 온도 조절 회로에 배치되어 있다. 차량 배터리를 간접적으로 가열 또는 냉각하기 위해 설계된 열교환기는 기능에 따라 커플링 열교환기로도 표현될 수 있는데, 그 이유는 상기 열교환기는 차량 공조 장치의 냉매 회로를 배터리 온도 조절 회로와 열적으로 연결하기 때문이다. 이러한 형성예에 따르면, 배터리 온도 조절 회로는 별도의 배터리 열교환기 그리고 열 전달 유체를 순환시키기 위한 펌프 및 통상적인 유체 연결 라인을 갖는다.
배터리 온도 조절 회로는 열방산(heat dissipation)을 위해 특히 저온 열교환기를 갖는다. 이러한 저온 열교환기를 통해 배터리 온도 조절 회로로부터 잉여 열이 방출될 수 있다. 이러한 열 방출은 차량 외부로 또는 가열해야 할 차량의 다른 컴포넌트로의 열방산을 통해 이루어진다.
바람직하게 배터리 온도 조절 회로는 차량 구동 모터를 가열 또는 냉각하기 위해 형성되어 있다. 이로 인해 중복되는 열 및 온도 관리의 관점에서, 열적으로 제어해야 할 자동차의 다양한 컴포넌트들 및 영역들을 연결할 수 있는 가능성이 주어진다. 차량 실내는 차량 공조 장치의 냉매 회로를 통해서 배터리 온도 조절 회로와 연결되어 있으며, 상기 배터리 온도 조절 회로는 재차 차량 배터리뿐만 아니라 차량 구동 모터를 열적으로 연결한다.
냉매 회로는 바람직하게 내부 열교환기를 가지며, 이러한 내부 열교환기는 사용된 냉매에 따라 냉매 회로의 효율을 향상시키기 위해 사용된다.
본 발명의 과제는 또한 앞서 특징화된 장치를 이용해서 차량 배터리를 가열 또는 냉각하기 위한 방법에 의해 실현되며, 이 경우 중간 팽창 밸브는 냉매 회로 내 중압력(intermediate pressure)을 조절한다. 이와 같은 냉매 회로 내 중압력은 차량 배터리에 필요한 그리고 원하는 온도에 따라 제어된다. 결과적으로 냉매 회로 내 중압력의 압력 레벨과 더불어 온도 레벨에 따라, 열이 중압력일 때 냉매가 관류하는 열교환기로부터 배터리로 방출 또는 흡수되거나 배터리로부터 배터리 온도 조절 회로로 방출 또는 흡수된다. 따라서 본 발명의 콘셉트에 따르면, 차량 배터리에서 원하는 온도는 차량 공조 장치의 냉매 회로 중압력을 제어함으로써 조절된다.
이와 함께 소형 공조 장치에 통합되는 전기 자동차와 하이브리드 자동차의 주요 열관리 기능의 통합 공정이 추가의 전기 가열 장치 없이 배터리 냉각 및 가열 기능의 실현으로 이루어 수 있다. 본 발명의 콘셉트는 차량 배터리의 직접적이거나 간접적인 가열 또는 냉각을 위해 열교환기를 통합하는 것이며, 이 경우 상기 열교환기는 냉매 회로에 직렬연결로 연결되고 2개의 팽창 밸브 사이에 배치되어 있다. 이때 열교환기는 냉매의 유동 방향으로 증발기 앞에 그리고 2개의 팽창 밸브 사이에 배치되어 있고, 따라서 고압에서 저압까지 조절 가능한 온도 레벨로 작동된다.
열교환기 내 냉매측 압력 레벨은 팽창 밸브들을 통해서 능동적으로 조절될 수 있다. 따라서 냉매는 중압력을 조정하여 냉각수 회로보다 높거나 낮은 온도 레벨로 또는 원하는 배터리 온도로 조절될 수 있다. 결과적으로 열교환기는 배터리 냉각 및 가열 용도로 사용될 수 있다.
특히 바람직하게는 언급한 바와 같이, 공지된 차량 공조 장치 구조와 비교해 확연히 간소화되고 소형인 공조 장치가 제안되며, 이러한 공조 장치는 차량 배터리의 온도 조절 기능도 함께 실행할 수 있다. 배터리 냉각 및 가열이라는 이중 기능을 갖는 열교환기의 사용은 추가로 냉각수를 통해 다른 경우에는 차량 외부로 배출되는 추가 폐열을 사용할 수 있는 가능성도 제공한다. 따라서 가열 모드, 즉 열펌프 모드에서 소형 공조 장치의 효율성이 추가로 현저히 상승될 수 있다.
결과적으로 비용이 절약될 수 있고, 출력이 상승될 수 있으며, 그리고 회로가 높은 효율로 작동될 수 있다.
본 발명의 형성예들의 추가적인 세부 사항들, 특징들 및 장점들은 관련 도면들을 참고로 인용하는 실시예들의 후속 설명에 제시된다.
도 1은 차량용 소형 공조 장치의 형성예로 별도의 배터리 온도 조절 회로 내에 차량 배터리를 간접적으로 온도 조절하기 위한 열교환기를 구비한 차량 공조 장치를 도시한 도면이고, 그리고
도 2는 차량 배터리의 온도를 조절하기 위한 직접 열교환기를 구비한 차량용 공조 장치를 도시한 도면이다.
도 1에는 차량용 소형 공조 장치의 기본 원리가 도시되어 있다. 이 차량 공조 장치는 적어도 통상적인 컴포넌트들을 포함하는 냉매 회로(1)를 구비한다. 특히 냉매 압축기로서 압축기(2), 가스 냉각기/응축기(3), 내부 열교환기(4) 그리고 후속해서 배치되는 증발기(6)와 함께 팽창 밸브(5)가 제공된다. 상기 회로는 통상적인 유체 연결 라인들에 의해 밀폐되어 있으며, 그리고 도시된 형성예는 적합한 냉매에서 냉매 증기 과열 및 응축물 과냉각을 위해 냉매 회로(1) 내 냉매 수집기 기능과 결합된 어큐뮬레이터 및 내부 열교환기(4)를 갖는다.
그 밖에도 냉매 회로(1) 내에는 중간 팽창 밸브(7)로서 제 2 팽창 밸브가 제공되어 있는데, 상기 중간 팽창 밸브는 팽창 밸브(5) 앞에서 배치되어 중압력 레벨 공급 기능을 실현한다. 증발기(6)에 대한 증발 압력 레벨을 형성하는 팽창 밸브(5)와 중간 팽창 밸브(7) 사이에는 열교환기(8)가 배치되어 있다. 이러한 열교환기(8)는 다른 한편으로는 배터리 온도 조절 회로(9)에 연결되어 있고, 따라서 냉매 회로(1)를 배터리 온도 조절 회로(9)와 열적으로 연결한다. 배터리 온도 조절 회로(9)는 열교환기(8) 외에 고유한 배터리 열교환기(10)를 가지며, 이러한 배터리 열교환기는 작동 상태에 따라 배터리를 가열 또는 냉각하기 위해 도면에는 도시되지 않은 차량 배터리와 열적으로 접촉하고 있다. 열교환기(8)로 도면에는 도시되지 않은 배터리를 간접적으로 가열 및 냉각하는 기능의 특색은 추가 배터리 열교환기(10)의 사용으로부터 얻어지거나 배터리 온도 조절 회로(9)의 사용으로 얻어진다. 그 밖에 배터리 온도 조절 회로(9)에는 열 전달 유체를 순환시키기 위한 펌프(13)가 제공된다. 계속해서 차량 외부로 또는 다른 적합한 히트 싱크로의 배터리 온도 조절 회로(9)의 열방산을 위해, 배터리 온도 조절 회로의 온도 레벨에 따라 표시되는 저온 열교환기(12)가 제공된다. 차량 구동 모터(11)의 열관리도 마찬가지로 배터리 온도 조절 회로(9)를 통해 이루어질 수 있으며, 이 때문에 차량 구동 모터(11)는 배터리 온도 조절 회로(9)에도 열적으로 연결된다.
도 2에는 도 1과 유사하게 차량 공조 장치의 냉매 회로(1)가 도시되어 있다. 냉매 회로의 열방산 또는 열흡수를 위한 열교환기는 본 형성예에서 배터리 열교환기(10)로 직접적으로 도시되어 있다.
도 1 및 도 2에 따라 도시된 2개의 형성예는 차량 공조 장치를 이용한 차량 배터리의 온도 조절 기능을 충족시킨다. 제 2 팽창 밸브의 제공으로 그리고 이러한 중간 팽창 밸브(7)의 제어 또는 조절을 통해 중압력 레벨을 사용하여 배터리를 직접적으로나 간접적으로 가열 또는 냉각시키기 위한 열교환기의 냉매 회로(1)에의 연결은 차량 배터리를 가열 또는 냉각하기 위한 형성예들의 유연한 사용을 가능하게 한다. 따라서 적은 수의 컴포넌트를 갖고 제어 절차가 복잡하지 않은 차량 공조 장치를 이용한 차량 배터리의 효과적인 온도 조절이 이루어질 수 있다.
1: 냉매 회로
2: 압축기
3: 가스 냉각기/응축기
4: 내부 열교환기
5: 팽창 밸브
6: 증발기
7: 중간 팽창 밸브
8: 열교환기
9: 배터리 온도 조절 회로
10: 배터리 열교환기
11: 차량 구동 모터
12: 저온 열교환기
13: 펌프

Claims (8)

  1. 적어도 압축기(2), 가스 냉각기/응축기(3), 팽창 밸브(5), 증발기(6) 그리고 상기 컴포넌트들을 연결하기 위한 냉매 라인들을 포함하는 냉매 회로(1)를 갖는 차량 공조 장치로서,
    격벽에 의해 구획되는 제1 및 제2 채널을 포함하고,
    냉매 유동 방향으로 상기 팽창 밸브(5) 앞에 중간 팽창 밸브(7)가 배치되어 있고, 상기 팽창 밸브(5, 7)들 사이에 차량 배터리의 온도 조절을 위한 열교환기(8)가 배치되며,
    상기 가스 냉각기/응축기(3)는 상기 제1 채널에 배치되고, 상기 증발기(6)는 상기 제2 채널에 배치되어 차량의 실내로 공급되는 공기를 가열 또는 냉각하며, 상기 제1 및 제2 채널 각각에는 이송된 공기의 일부를 선택적으로 차량 외부로 배출시키는 토출구가 구비되고, 상기 각각의 토출구는 각각 상기 가스 냉각기/응축기(3) 및 증발기(6)의 하류에 배치되고,
    상기 열교환기(8)가 상기 차량 배터리를 간접적으로 가열 또는 냉각하기 위한 배터리 온도 조절 회로(9) 내에 열교환기로 형성되고,
    상기 배터리 온도 조절 회로(9)가 상기 열교환기(8)와 직렬로 연결되는 저온 열교환기(12)를 갖는 것을 특징으로 하는,
    차량 공조 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 온도 조절 회로(9)가 별도의 배터리 열교환기(10) 그리고 열 전달 유체를 순환시키기 위한 펌프(13)를 갖는 것을 특징으로 하는,
    차량 공조 장치.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 온도 조절 회로(9)가 차량 구동 모터(11)를 가열 또는 냉각하도록 형성된,
    차량 공조 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉매 회로(1) 내에 내부 열교환기(4)가 배치된 것을 특징으로 하는,
    차랑 공조 장치.
  8. 제 1, 4, 6 및 7 항 중 어느 한 항에 따른 장치로 차량 배터리를 가열 또는 냉각하기 위한 방법으로서,
    - 상기 중간 팽창 밸브(7)가 상기 열교환기(8)를 위해 냉매 회로(1) 내 중간 압력(intermediate pressure)을 조절하고, 이 경우
    - 상기 냉매 회로(1)의 중간 압력은 상기 차량 배터리에 필요한, 원하는 온도에 따라 제어되는 것을 특징으로 하는,
    차량 배터리의 온도 조절 제어 방법.
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