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KR20150042103A - 차량의 고전압배터리 공조시스템 및 공조방법 - Google Patents

차량의 고전압배터리 공조시스템 및 공조방법 Download PDF

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KR20150042103A
KR20150042103A KR20130120887A KR20130120887A KR20150042103A KR 20150042103 A KR20150042103 A KR 20150042103A KR 20130120887 A KR20130120887 A KR 20130120887A KR 20130120887 A KR20130120887 A KR 20130120887A KR 20150042103 A KR20150042103 A KR 20150042103A
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KR
South Korea
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blower
heat exchanger
voltage battery
cooling
peltier element
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Application number
KR20130120887A
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English (en)
Inventor
오만주
김재웅
박재우
Original Assignee
현대자동차주식회사
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Publication date
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Abstract

고전압배터리 하우징에 마련된 제1열교환기 및 제1열교환기 주변에서 송풍하는 제1블로워; 고전압배터리 하우징 외측 상부에 마련된 제2열교환기 및 제2열교환기 주변에서 송풍하는 제2블로워; 일면이 제2열교환기에 접촉되도록 결합된 펠티어소자; 및 냉각수가 순환되는 라인으로써, 일측은 펠티어소자의 타면에 접촉되도록 결합되고 하방으로 연장된 후 타측은 제1열교환기와 열교환되도록 결합된 냉각라인;을 포함하는 차량의 고전압배터리 공조시스템 및 공조방법이 소개된다.

Description

차량의 고전압배터리 공조시스템 및 공조방법 {AIR CONDITIONING SYSTEM AND METHOD FOR HIGH-VOLTAGE BATTERY OF VEHICLE}
본 발명은 전기차 및 하이브리드 차량의 고전압배터리에 있어서 고전압배터리의 온도를 상승/냉각시킴으로써 고전압배터리의 상태를 최적으로 유지토록 하는 차량의 고전압배터리 공조시스템 및 공조방법에 관한 것이다.
본 발명은 전기차 및 하이브리드 차량의 고전압배터리에 있어서 고전압배터리의 온도를 상승/냉각시킴으로써 고전압배터리의 상태를 최적으로 유지토록 하는 차량의 고전압배터리 공조시스템 및 공조방법에 관한 것이다.
전기차나 하이브리드 차량, 연료전지 차량 등과 같은 친환경 차량의 경우 차량의 구동을 위해 모터와 고전압배터리를 이용한다. 그러한 충전이나 기타 필요시에는 고전압배터리가 과열되고 겨울철에는 과냉되어 제 성능을 발휘하지 못하고 열화될 수 있는 환경에 놓여있다. 따라서, 이러한 고전압배터리를 효과적으로 공조할 수 있는 기술이 필요하다.
종래의 기술 대부분은 배터리를 냉각하기 위해 기존의 냉매를 활용한 에어컨시스템을 사용함으로써, 냉각된 차량 내부 공기를 흡입하여 배터리로 이송시켜 대류에 의한 배터리 냉각이 되도록 한 기술이 적용되고 있다.
그러나 이러한 기술은 오히려 실내 냉방 부하 증대의 원인이 되고, 실내가 냉방시라면 필요시 배터리에 난방을 할 수 있는 기능이 불가한 단점이 있었다.
한편, 펠티어소자(열전소자)를 이용하여 냉각과 난방이 동시에 되도록 한 배터리 냉/난방 구조의 경우 고전압배터리의 일측면에 펠티어 열교환기를 설치하고 배터리의 외부로 폐열을 공기에 방열하기 위한 핀을 설치하는 것인바, 이 경우에는 폐열을 방열시 방열 성능이 저하되는 구조(AIR TO AIR)인 것이었다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
JP 2011-049139 A
본 발명은 실내 냉난방을 이용하지 않으면서도 펠티어소자의 방열을 충분히 확보함으로써 효과적으로 고전압배터리를 공조할 수 있도록 하는 차량의 고전압배터리 공조시스템 및 공조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 차량의 고전압배터리 공조시스템은, 고전압배터리 하우징에 마련된 제1열교환기 및 제1열교환기 주변에서 송풍하는 제1블로워; 고전압배터리 하우징 외측 상부에 마련된 제2열교환기 및 제2열교환기 주변에서 송풍하는 제2블로워; 일면이 제2열교환기에 접촉되도록 결합된 펠티어소자; 및 냉각수가 순환되는 라인으로써, 일측은 펠티어소자의 타면에 접촉되도록 결합되고 하방으로 연장된 후 타측은 제1열교환기와 열교환되도록 결합된 냉각라인;을 포함한다.
고전압배터리 하우징은 트렁크룸 내부에 마련되고 제1블로워는 폐열을 트렁크룸 내부로 배출하며, 트렁크룸에는 에어익스트랙트부가 마련될 수 있다.
고전압배터리 하우징은 밀폐 구조이고, 제1열교환기와 제1블로워는 하우징의 내부에 마련되어 하우징 내부공기를 공조하며 냉각라인의 타측은 하우징을 관통하여 삽입됨으로써 제1열교환기와 결합될 수 있다.
냉각라인은 별도의 구동가 구비되지 않은 냉각수 파이프일 수 있다.
제1열교환기와 제2열교환기에는 공기와 열교환되는 복수의 방열핀이 마련될 수 있다.
제1블로워, 제2블로워, 펠티어소자의 가동을 제어하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.
제어부는 고전압배터리의 저단냉방 필요시에는 제1블로워와 제2블로워를 가동할 수 있다.
제어부는 고전압배터리의 고단냉방 필요시에는 제1블로워, 제2블로워, 펠티어소자를 모두 가동할 수 있다.
이러한 차량의 고전압배터리 공조시스템을 이용한 공조방법은, 고전압배터리에서 필요한 공조모드를 결정하는 모드결정단계; 및 고단냉방모드의 경우 제1블로워와 제2블로워를 가동하고, 펠티어소자는 일면에서 냉각이 일어나도록 제어하는 고단냉방단계;를 포함한다.
모드결정단계 이후에는, 저단냉방모드의 경우 제1블로워와 제2블로워만을 가동하는 저단냉방단계;를 더 포함할 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 차량의 고전압배터리 공조시스템 및 공조방법에 따르면, 실내 냉난방을 이용하지 않으면서도 펠티어소자의 방열을 충분히 확보함으로써 효과적으로 고전압배터리를 공조할 수 있게 된다.
또한, 펠티어소자의 폐열을 수냉식으로 배출하도록 함으로 인해 공기 배출식 보다 성능이 향상된다(공기 배출 식대비 성능 2~5배 상승).
그리고, 주 사용 모드에 대해서는 자연 환기 송풍에 의해 열 교환이 되도록 구성하여 최소한의 에너지를 사용토록 구성할 수 있다.
또한, 냉각된 실내 공기를 사용하지 않음으로써 기존 차량의 에어컨 냉각 부하를 줄일 수 있게 되고, 워터펌프를 사용하지 않기 때문에 연비가 향상된다.
도 1 내지 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 고전압배터리 공조시스템을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 고전압배터리 공조시스템의 작동에 따른 냉각수 유량을 나타낸 그래프.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 차량의 고전압배터리 공조시스템 및 공조방법에 대하여 살펴본다.
도 1 내지 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 고전압배터리 공조시스템을 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 고전압배터리 공조시스템의 작동에 따른 냉각수 유량을 나타낸 그래프이다.
본 발명에 따른 차량의 고전압배터리 공조시스템은, 고전압배터리 하우징(120)에 마련된 제1열교환기(300) 및 제1열교환기(300) 주변에서 송풍하는 제1블로워(400); 고전압배터리 하우징(120) 외측 상부에 마련된 제2열교환기(500) 및 제2열교환기(500) 주변에서 송풍하는 제2블로워(600); 일면이 제2열교환기(500)에 접촉되도록 결합된 펠티어소자(800); 및 냉각수가 순환되는 라인으로써, 일측은 펠티어소자(800)의 타면에 접촉되도록 결합되고 하방으로 연장된 후 타측은 제1열교환기(300)와 열교환되도록 결합된 냉각라인(700);을 포함한다.
도 1과 같이, 차량의 트렁크룸(20)에는 유입구(10)를 통해 실내 내기가 유입되고 이는 주행시 자연대류에 의해 에어익스트랙트부(30)를 통해 외부로 배출된다.
이러한 트렁크룸(20)에는 친환경 차량의 고전압배터리(100)가 탑재되는데, 고전압배터리 하우징(120)에는 제1열교환기(300)가 마련되고, 제1열교환기(300) 주변에서 송풍하는 제1블로워(400)가 마련된다. 제1블로워(400)는 고전압배터리 하우징(120)의 내부에서 제1열교환기(300)측으로 바람을 송풍함으로써 고전압배터리 하우징(120)의 내부공기가 공조되며 순환될 수 있도록 한다.
한편, 고전압배터리 하우징(120) 외측 상부에는 제2열교환기(500)가 마련된다. 그리고 제2열교환기(500) 주변에는 송풍용 제2블로워(600)가 마련된다. 도시된 실시예의 경우 제2열교환기(500)는 트렁크룸(20)의 유입구(10)측에 마련되는바, 직접적인 열교환을 피하기 위해 차단판(50)이 마련될 수 있다. 또한 제2열교환기(500)가 트렁크룸(20)의 유입구(10)측에 마련되기 때문에 실내 내기를 바로 빨아들이며 열교환함으로써 펠티어소자(800)의 방열을 용이하게 할 수 있도록 한다. 버려진 폐열은 트렁크룸(20)의 에어익스트랙트부(30)를 통해 외부로 자연 배출되도록 하는 것이다.
한편, 펠티어소자(800)는 전기의 인가에 따라 일면이 냉각시 타면이 가열되고 일면이 가열시 타면이 냉각되는 열전소자로서, 그 일면이 제2열교환기(500)에 접촉되도록 결합된다. 이를 통해 제2열교환기(500)에서의 냉각이 필요한 경우 펠티어소자(800)의 동작에 따라 제2열교환기(500)에서 냉각수를 냉각하게 된다.
한편, 냉각라인(700)은 냉각수가 순환되는 라인으로써, 일측은 펠티어소자(800)의 타면에 접촉되도록 결합되고 하방으로 연장된 후 타측은 제1열교환기(300)와 열교환되도록 결합된다. 그리고 냉각라인(700)은 별도의 구동가 구비되지 않은 냉각수 파이프일 수 있다.
이를 통해 펠티어소자(800)에 의해 냉각된 냉각수는 하방으로 자연스럽게 대류되고, 하방에 있던 냉각수는 제1열교환기(300)에 의해 가열된 상태인바, 자연스럽게 상방으로 대류되며 전체적으로 워터펌프 등이 없어도 냉각수의 순환이 일어나게 된다.
한편, 고전압배터리 하우징(120)은 트렁크룸(20) 내부에 마련되고 제1블로워(400)는 폐열을 트렁크룸(20) 내부로 배출하며, 트렁크룸(20)에는 에어익스트랙트부(30)가 마련될 수 있다. 그리고, 고전압배터리 하우징(120)은 밀폐 구조이고, 제1열교환기(300)와 제1블로워(400)는 하우징(120)의 내부에 마련되어 하우징(120) 내부공기를 공조하며 냉각라인(700)의 타측은 하우징(120)을 관통하여 삽입됨으로써 제1열교환기(300)와 결합될 수 있다.
또한, 제1열교환기(300)와 제2열교환기(500)에는 공기와 열교환되는 복수의 방열핀이 마련될 수 있다. 이를 통해 공기와의 열교환이 용이해지도록 한다.
한편, 제1블로워(400), 제2블로워(600), 펠티어소자(800)의 가동을 제어하는 제어부(900);를 더 포함할 수 있다. 고전압배터리(100)의 경우 약한 냉방이나 강한 냉방이 필요에 따라 달리 요구되는데, 제어부(900)는 고전압배터리(100)의 저단냉방 필요시에는 제1블로워(400)와 제2블로워(600)를 가동할 수 있다. 도 1은 이러한 저단냉방의 상황을 나타낸 것으로서, 제1블로워(400)와 제2블로워(600) 만의 가동을 통하여도 어느 정도의 냉각수 대류가 가능하기 때문에 이러한 경우에는 펠티어소자(800)를 가동하지 않음으로써 배터리의 온도를 유지하면서도 연비를 절약할 수 있는 것이다. 대부분의 주행상황에서는 저단냉방만이 필요한바, 펠티어소자와 워터펌프의 구동에 드는 에너지가 절약되어 그 효과가 매우 크다.
한편, 도 2와 같이 제어부(900)는 고전압배터리(100)의 고단냉방 필요시에는 제1블로워(400), 제2블로워(600), 펠티어소자(800)를 모두 가동할 수 있다. 이 경우에는 펠티어소자(800)를 통한 적극적인 냉방이 개입된 경우로써, 냉각라인(700) 하방의 냉각수는 더욱 뜨겁고, 펠티어소자(800)측 냉각수는 더욱 차가울 것인바, 대류되는 냉각수의 유량도 함께 증가할 것이다.
즉, 도 3과 같이, 모든 블로워를 작동하지 않는 경우보다 블로워를 작동하는 저단냉방의 경우가 냉각수 유동량이 증가하고, 고단냉방의 경우 온도차가 더욱 심하기 때문에 대류되는 냉각수의 유동량이 가장 많은 것이다.
한편, 이러한 차량의 고전압배터리 공조시스템을 이용한 공조방법은, 고전압배터리에서 필요한 공조모드를 결정하는 모드결정단계; 및 고단냉방모드의 경우 제1블로워(400)와 제2블로워(600)를 가동하고, 펠티어소자(800)는 일면에서 냉각이 일어나도록 제어하는 고단냉방단계;를 포함한다. 즉, 저단냉방, 고단냉방, 난방의 모드를 결정하고, 그에 따라 고단냉방모드의 경우 도 2와 같이 제1블로워(400)와 제2블로워(600)를 가동하고, 펠티어소자(800)는 일면에서 냉각이 일어나도록 제어하는 것이다.
그리고, 도 1과 같이 저단냉방모드의 경우에는 제1블로워(400)와 제2블로워(600)만을 가동하는 저단냉방단계를 수행하는 것이다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 차량의 고전압배터리 공조시스템 및 공조방법에 따르면, 실내 냉난방을 이용하지 않으면서도 펠티어소자의 방열을 충분히 확보함으로써 효과적으로 고전압배터리를 공조할 수 있게 된다.
또한, 펠티어소자의 폐열을 수냉식으로 배출하도록 함으로 인해 공기 배출식 보다 성능이 향상된다(공기 배출 식대비 성능 2~5배 상승).
그리고, 주 사용 모드에 대해서는 자연 환기 송풍에 의해 열 교환이 되도록 구성하여 최소한의 에너지를 사용토록 구성할 수 있다.
또한, 냉각된 실내 공기를 사용하지 않음으로써 기존 차량의 에어컨 냉각 부하를 줄일 수 있게 되고, 워터펌프를 사용하지 않기 때문에 연비가 향상된다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
20 : 트렁크룸 30 : 에어익스트랙트부
100 : 고전압배터리 120 : 하우징
300 : 제1열교환기 400 : 제1블로워
500 : 제2열교환기 600 : 제2블로워
700 : 냉각라인 800 : 펠티어소자

Claims (10)

  1. 고전압배터리 하우징에 마련된 제1열교환기 및 제1열교환기 주변에서 송풍하는 제1블로워;
    고전압배터리 하우징 외측 상부에 마련된 제2열교환기 및 제2열교환기 주변에서 송풍하는 제2블로워;
    일면이 제2열교환기에 접촉되도록 결합된 펠티어소자; 및
    냉각수가 순환되는 라인으로써, 일측은 펠티어소자의 타면에 접촉되도록 결합되고 하방으로 연장된 후 타측은 제1열교환기와 열교환되도록 결합된 냉각라인;을 포함하는 차량의 고전압배터리 공조시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    고전압배터리 하우징은 트렁크룸 내부에 마련되고 제1블로워는 폐열을 트렁크룸 내부로 배출하며, 트렁크룸에는 에어익스트랙트부가 마련된 것을 특징으로 하는 차량의 고전압배터리 공조시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    고전압배터리 하우징은 밀폐 구조이고, 제1열교환기와 제1블로워는 하우징의 내부에 마련되어 하우징 내부공기를 공조하며 냉각라인의 타측은 하우징을 관통하여 삽입됨으로써 제1열교환기와 결합된 것을 특징으로 하는 차량의 고전압배터리 공조시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    냉각라인은 별도의 구동가 구비되지 않은 냉각수 파이프인 것을 특징으로 하는 차량의 고전압배터리 공조시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    제1열교환기와 제2열교환기에는 공기와 열교환되는 복수의 방열핀이 마련된 것을 특징으로 하는 차량의 고전압배터리 공조시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    제1블로워, 제2블로워, 펠티어소자의 가동을 제어하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 고전압배터리 공조시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    제어부는 고전압배터리의 저단냉방 필요시에는 제1블로워와 제2블로워를 가동하는 것을 특징으로 하는 차량의 고전압배터리 공조시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    제어부는 고전압배터리의 고단냉방 필요시에는 제1블로워, 제2블로워, 펠티어소자를 모두 가동하는 것을 특징으로 하는 차량의 고전압배터리 공조시스템.
  9. 청구항 6의 차량의 고전압배터리 공조시스템을 이용한 공조방법으로서,
    고전압배터리에서 필요한 공조모드를 결정하는 모드결정단계; 및
    고단냉방모드의 경우 제1블로워와 제2블로워를 가동하고, 펠티어소자는 일면에서 냉각이 일어나도록 제어하는 고단냉방단계;를 포함하는 차량의 고전압배터리 공조방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    모드결정단계 이후에는,
    저단냉방모드의 경우 제1블로워와 제2블로워만을 가동하는 저단냉방단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 고전압배터리 공조방법.
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