KR20130104312A

KR20130104312A - 전기 자동차용 히트 펌프 시스템 제어 방법

Info

Publication number: KR20130104312A
Application number: KR1020120025705A
Authority: KR
Inventors: 최종민
Original assignee: 주식회사 아성프라텍
Priority date: 2012-03-13
Filing date: 2012-03-13
Publication date: 2013-09-25

Abstract

본 발명은 전기 자동차 특히 저속 운행 위주의 NEV(저속전기자동차, Neigh borhood Electric Vehicle)에 적합한 CO2 냉매를 이용한 히트 펌프 시스템에 관한 것이다.

Description

전기 자동차용 히트 펌프 시스템 제어 방법 {Heat Pump System For Electric Vehicle}

본 발명은 CO2 냉매를 이용한 전기 자동차용 히트 펌프 시스템에 관한 것이다. 특히 본 발명은 저속 운행 위주의 NEV(저속전기자동차, Neigh borhood Electric Vehicle)에 적합한 공기조화 시스템을 구현하기 위하여 CO2 냉매를 이용한 히트 펌프 시스템에 관한 것이다.

[특허문헌1] 등록특허공보 등록번호 10-0950402는 전기자동차용 히트펌프 시스템에 관한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이 특허문헌1은, 냉매를 압축하여 토출하는 전동 압축기(10)와; 상기 전동 압축기(10)에 전원을 공급하기 위한 배터리(B)와; 상기 전동 압축기(10)와 배터리(B) 사이에 설치되는 인버터(20)와; 실내측 열교환기(30)와; 실외측 열교환기(40)와; 상기 전동 압축기(10)의 토출측에 연결되고, 상기 실내측 열교환기(30) 및 실외측 열교환기(40)에 각각 연결되어 유로를 선택적으로 전환하는 사방밸브(50)와; 상기 실내측 열교환기(30) 및 실외측 열교환기(40)의 사이에 설치되는 팽창밸브(60)와; 그리고 상기 실내측 열교환기(30) 또는 실외측 열교환기(40)를 통과한 냉매가 기화될 수 있도록 사방밸브(50)의 토출측과 인버터(20) 사이에 제1 냉매 순환관(70)이 연결되고, 상기 인버터(20)와 상기 전동 압축기(10) 사이에 제2 냉매 순환관(80)이 연결되어 이루어진다.

[특허문헌1]은 일반적인 전기자동차용 히트펌프 시스템을 개시하고 있을 뿐 저속전기자동차에 최적인 히트펌프 시스템을 개시하고 있지 않다.

[특허문헌2] 등록특허공보 등록번호 10-1019169는 CO2가스를 냉매가스로 이용하는 히트펌프시스템에 관한 것으로, 압축기와, 열교환응축기와, 증발기와, 서브쿨러의 폐회로로 이루어지는 히트펌프 시스템에 있어서, 상기 열교환응축기의 출구측에 온도센서와 분기점을 두어 온도센서의 설정온도에 따라 냉매가스 온도가 35℃ 이하일 경우에는 곧바로 서브쿨러를 통과하도록하여 서브쿨러에서 증발과정이 끝난 저온의 냉매가스와의 열교환으로 1차 과열도를 낮추고 인터쿨러에서 2차 과열도를 낮추어서 증발기에서 증발이 이루어지도록 하고, 상기 열교환응축기의 출구측의 냉매가스 온도가 35℃ 이상일 경우에는 증발기에 의해 냉각된 공기를 서브콘덴서에 통과시켜 소정의 온도로 냉각한 다음 상기의 서브쿨러로 보내 증발과정이 끝난 저온의 냉매가스와의 열교환으로 1차 과열도를 낮추고 인터쿨러에서 2차 과열도를 낮추어서 증발기에서 증발이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 한다.

[특허문헌2]는 서브쿨러 및 서브콘덴서의 채용에 의해 구조가 극히 복잡해지고 소용량 바테리를 이용하는 저속 전기자동차용 시스템에는 부적합한 구조이다.

[특허문헌3] 공개특허공보 공개번호 10-2011-0083019는 이중관 열 교환기용 커넥터에 관한 것으로, 제1 직경을 갖는 파이프 형상의 제1 커넥터부; 상기 제1 직경 보다 작은 제2 직경을 갖는 파이프 형상의 제2 커넥터부; 상기 제1 및 제2 커넥터부들을 연결하는 연결부; 및 상기 연결부와 연통 되며 상기 제2 커넥터부를 향해 배치된 연결관을 포함하여 구성된다.

[특허문헌3]은 일반적인 이중관 열 교환기 구조 및 커넥터를 개시하고 있을 뿐 저속 전기자동차에 적합한 이중관 열 교환기 구조는 제시하지 않고 있다.

[특허문헌4] 공개특허공보 공개번호 10-2004-0081210는 공조장치용 블로어 유니트에 관한 것으로서, 내외기 도입구를 구비한 공기 도입부(Intake Unit)와, 상기 내외기 도입구를 선택적으로 개폐하는 전환도어, 상기 내외기 도입구를 통해 공기를 흡입하고 공조케이스로 송풍하는 블로어휠 및 상기 블로어휠을 구동하는 블로어모터, 도입된 공기를 상기 공조케이스로 연통시키는 스크롤 케이스로 이루어진 공조장치용 블로어 유니트에 있어서, 상기 스크롤 케이스 상부에는 PTC 히터를 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 위와 같은 구성에 의해 공기필터를 통과한 공기를 예열함으로써, 에어컨 작동시 증발기 코어에 맺힌 물방울을 제거할 수 있어, 곰팡이 등의 생성을 사전에 차단할 수 있다는 이점이 있고, 또한, 겨울철 난방시에 급속한 난방이 가능하게 되므로, 별도의 보조 히터가 없더라도 시동 초기의 난방성능을 획기적으로 개선할 수 있다.

[특허문헌4]는 공조장치용 케이스 내부에 PTC 히터를 채용하여 겨울철 난방시 PTC 히터에 의한 급속 난방을 가능하게 하고 있으나, 저속 전기자동차에 적합한 급속 난방을 위한 구조는 나타나 있지 않다.

[특허문헌1] 등록특허공보 등록번호 10-0950402 [특허문헌2] 등록특허공보 등록번호 10-1019169 [특허문헌3] 공개특허공보 공개번호 10-2011-0083019 [특허문헌4] 공개특허공보 공개번호 10-2004-0081210

본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전기 자동차 특히 근거리에서 사용하기 위한 저속 전기자동차에 적합한 고효율을 달성할 수 있고, 컴팩트한 레이아웃을 확보할 수 있으며 급속 난방이 가능한 히트 펌프 시스템을 제공하기 위한 것이다.

본 발명 전기자동차용 히트펌프 시스템 제어방법은, 에어컨 모드인지 히팅 모드인지 판단하는 단계; 상기 모드에 따라 압축기, 제1밸브 및 제2밸브의 동작을 제어하여 히트 펌프 시스템을 에어컨 또는 히터로 운전하는 단계를 포함하되; 상기 히팅 모드는 히트 펌프 시스템을 히터로 운전하는 동시에 PTC 히터를 온시키는 급속 히팅 모드를 포함한다.

본 발명은 히트 펌프 시스템을 히터로 운전함과 동시에 PTC 히터를 온시켜서 급속한 히팅 즉 급속 난방을 가능하게 한다.

또한 본 발명은 전기 모터에 의해 구동되는 압축기(E-Compressor), 제1열교환기 및 제2열교환기, 제1밸브 및 제2밸브에 의해 장치를 소형화할 수 있어서 소용량 바테리를 채용한 저속 전기자동차에 적합한 구조이다.

본 발명은 초임계 온도가 높은 CO2 냉매를 사용함과 동시에 제1 또는 제2열교환기를 통과한 냉매와 어큐뮬레이터를 통과한 냉매 사이에 열교환이 이루어지도록 해서 저속 전기자동차에 적합한 고효율을 달성할 수 있다.

본 발명은 압축기에서 토출되는 냉매의 압력 및 온도를 측정하는 압력센서 및 온도센서를 포함하여 정확한 제어를 가능하게 한다.

도 1은 종래 기술의 히트 펌프 시스템에 대한 개략도
도 2는 본 발명의 히트 펌프 시스템에 대한 개략도
도 3은 본 발명의 히트 펌프 시스템의 운전 모드

이하에서는 본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예를 설명한다.

[시스템 구성]

본 발명은 전기 모터(M)에 의해 구동되는 압축기(C); 상기 압축기(C)의 토출측에 설치된 유로에 설치되어 제1유로(L1) 및 제2유로(L2)로 냉매의 흐름을 제어하는 제1밸브(10); 상기 제1유로(L1) 및 상기 제2유로(L2)에 설치되는 제1열교환기(20) 및 제2열교환기(50); 상기 제1열교환기(20) 및 상기 제2열교환기(50) 사이에 설치되는 팽창밸브(40); 상기 제1유로(L1) 및 상기 제2유로(L2)를 연결하는 유로에 설치되어 압축기(C)로 유입되는 냉매의 흐름을 제어하는 제2밸브(60)를 포함한다.

본 발명에 사용되는 냉매는 친환경 천연냉매인 CO2 냉매로서 초임계 온도가 높고 친환경 전기 자동차에 적합한 냉매이다.

압축기(C)는 전기 모터(M)에 의해 구동되고, 전기 모터(M)에 연결된 인버터는 제어부에 의해 제어된다.

압축기(C)와 제1밸브(10)를 연결하는 제7유로(L7)에는 압축기(C)에 의해 토출되는 냉매의 온도를 측정하는 온도센서(T1) 및 냉매의 압력을 측정하는 압력센서(P1)가 설치되어 있다.

압축기(C)에 유입되는 냉매의 압력은 제2 압력센서(P2)에 의해 측정된다.

온도센서(T1), 압력센서(P1) 및 제2 압력센서(P2)에서 측정된 값은 제어부에 전달된다.

압축기(C)의 토출측에 설치된 제7유로(L7)에는 제1유로(L1) 및 제2유로(L2)로 냉매의 흐름을 제어하는 제1밸브(10)가 설치되어 있다.

제1열교환기(20)는 제1유로(L1)에 의해 제1밸브(10)에 연결되어 있고, 제2열교환기는 제2유로(L2)에 의해 제2열교환기(50)에 연결되어 있다.

제1열교환기(20)는 가스쿨러로서 차량 외부에 설치되어 있다. 제2열교환기(50)는 차량 실내와 연통되는 HVAC 조립체(heating, ventilation, air conditioning assembly)에 설치되어 있다.

HVAC 조립체 내부에는 차량 실내의 공기 순환 또는 차량 외부의 공기를 차량 내부로 유입시키기 위한 블로어가 설치되어 있다. 또한 HVAC 조립체 내부에는 전기 자동차의 전원에 의해 가열되는 PTC 히터가 설치되어 있다.

제1열교환기(20) 및 제2열교환기(50)를 연결하는 제3유로(L3)에는 팽창밸브(40)가 설치되어 있다.

제2밸브(60)는 제1유로(L1) 및 제2유로(L2)를 연결하는 유로(L4, L5)에 설치되어 압축기(C)로 유입되는 냉매의 흐름을 제어한다. 즉, 제4유로(L4)는 제1유로(L1)과 제2밸브(60)을 연결하고 있고, 제5유로(L5)는 제2유로(L2)와 제2밸브를 연결하고 있다.

제2밸브(60)와 압축기(C)를 연결하는 제6유로(L6)에는 어큐뮬레이터(70)가 설치되어 있다. 즉, 제2밸브(60)와 압축기(C)는 제6유로(L6)에 의해 연결되어 있고 제2밸브(60)를 통과한 냉매는 어큐뮬레이터(70)를 거친후 압축기(C)에서 압축된다.

제1열교환기(20) 또는 제2열교환기(50)를 통과한 냉매와 상기 어큐뮬레이터(70)를 통과한 냉매 사이에 열교환이 이루어진다. 열교환은 이중관 열교환기(IHX, Internal Heat Exchange)에 의해 이루어진다.

제1밸브(10) 및 제2밸브(60)는 제어부에 의해 제어되어 냉매의 흐름을 제어한다.

도 3은 본 발명 장치 전체를 사시도로 개략적으로 나타낸 것으로, 제1열교환기(20)의 상부 후방에 내부 열교환기(IHX, Internal Heat Exchangr)가 위치하고 있고 제1열교환기(20)의 좌측에 압축기(C) 및 어큐뮬레이터(70)가 위치하고 있다. HVAC 조립체 내부에는 제2열교환기(50), 블로어 및 PTC 히터가 설치되어 있다.

[제1모드-에어컨 운전]

히트 펌프 시스템을 에어컨으로 사용할 때 제1밸브(10)는 냉매가 제7유로(L7)에서 제1유로(L1)로 흐르게 하고 제2유로(L2)에는 냉매가 흐르지 않도록 한다. 제2밸브(60)는 제5유로(L5)와 제6유로(L6)가 연통되도록 하고 제4유로(L4)와 제5유로(L5) 사이에 흐름이 발생하지 않도록 한다.

즉, 압축기(C)에서 압축된 냉매는 제7유로(L7), 제1밸브(10), 제1유로(L1), 제1열교환기(20), 팽창밸브(40), 제2열교환기(50), 제5유로(L5), 제2밸브(60), 어큐뮬레이터(70), 제6유로(L6)를 거쳐 압축기(C)로 귀환한다.

이때 제2열교환기(50)는 공기와 열교환하여 공기를 차갑게 하기 때문에 히트 펌프 시스템은 에어컨으로 작동하게 된다. 히트 펌프 시스템의 원리는 이미 공지된 기술이므로 냉매의 압축 또는 팽창에 따른 상세한 설명은 생략한다.

에어컨 운전을 하는 제1모드에서는 HVAC 조립체에 설치된 블로어가 작동하여 차가워진 공기를 차량 내부로 유입될 수 있도록 한다.

[제2모드-제습운전]

제습 모드로 운전하는 경우에는 히트 펌프 시스템을 에어컨으로 운전하면서 PTC 히터 및 블로어를 작동시킨다.

[제3모드-최대 히팅 운전]

최대 히팅 운전으로 사용할 때에는 히트 펌프 시스템을 히터로 사용하고 PTC 히터를 온시키며 블로어를 온시킨다.

히트 펌프 시스템을 히터로 사용할 때 제1밸브(10)는 냉매가 제7유로(L7)에서 제2유로(L2)로 흐르게 하고 제1유로(L2)에는 냉매가 흐르지 않도록 한다. 제2밸브(60)는 제4유로(L4)와 제6유로(L6)가 연통되도록 하고 제4유로(L4)와 제5유로(L5) 사이에 흐름이 발생하지 않도록 한다.

즉, 압축기(C)에서 압축된 냉매는 제7유로(L7), 제1밸브(10), 제2유로(L2), 제2열교환기(20), 팽창밸브(40), 제1열교환기(20), 제4유로(L4), 제2밸브(60), 어큐뮬레이터(70), 제6유로(L6)를 거쳐 압축기(C)로 귀환한다.

이때 제2열교환기(50)는 공기와 열교환하여 공기를 뜨겁게 하기 때문에 히트 펌프 시스템은 히터로 작동하게 된다. 히트 펌프 시스템의 원리는 이미 공지된 기술이므로 냉매의 압축 또는 팽창에 따른 상세한 설명은 생략한다.

최대 히팅 운전을 하는 제3모드에서는 HVAC 조립체에 설치된 PTC 히터 및 블로어가 작동하여 히트 펌프 시스템에 의해 따뜻해진 공기를 PTC 히터에 의해 추가로 가열한 후 차량 내부로 유입될 수 있도록 한다.

[제4모드-히팅 운전]

일반적인 히팅 운전을 하는 경우에는 히트 펌프 시스템을 히터로 사용하고 블로어를 작동시킨다.

[제5모드-블로어]

블로우 운전을 하는 경우에는 히트 펌프 시스템을 사용하지 않고 공기만을 순환할 수 있도록 블로어를 작동시킨다.

[제어부에 의한 모드의 변경]

운전자 또는 승객이 설정한 실내 온도 또는 실내 운전 모드에 따라 제어부는 압축기(C)의 작동 여부, 제1밸브(10) 및 제2밸브(60)의 유로 변경, 제1열교환기에 설치된 팬 및 HVAC 조립체에 설치된 블로어의 작동 여부를 제어한다.

압축기(C)에 유입되는 냉매의 압력 및 토출되는 압력 및 온도를 압력센서(P2) 및 압력센서(P1) 및 온도센서(T1)에 의해 측정하고 측정 결과에 따라 제어부는 에어컨 운전에서 히팅 운전으로 또는 히팅 운전에서 에어컨 운전으로 모드 변경을 수행한다.

운전자 또는 승객이 운전 모드를 변경하면 제어부는 각 모드에 따라 압축기(C)의 온/오프, 제1밸브(10) 및 제2밸브(60)의 유로 변경을 즉시 실행할 수도 있고, 냉매의 유입압력(P1), 토출압력(P2) 및 토출온도(T1)를 고려하여 모드 변경의 적정성을 파악한 후 압축기(C), 제1밸브(10) 및 제2밸브(60)의 제어 여부를 결정할 수 있다.

즉, 본 발명의 전기자동차용 히트펌프 시스템의 제어 방법은, 에어컨 모드인지 히팅 모드인지 판단하는 단계; 상기 모드에 따라 압축기, 제1밸브 및 제2밸브의 동작을 제어하여 히트 펌프 시스템을 에어컨 또는 히터로 운전하는 단계를 포함하되; 상기 히팅 모드는 히트 펌프 시스템을 히터로 운전하는 동시에 PTC 히터를 온시키는 급속 히팅 모드를 포함한다.

본 발명은 전기에 의해 구동되는 임의 형태의 자동차에 적용할 수 있다.

10 제1밸브
20 제1열교환기
30 이중관 열교환기
40 팽창밸브
50 제2열교환기
60 제2밸브
70 어큐뮬레이터

Claims

에어컨 모드인지 히팅 모드인지 판단하는 단계;
상기 모드에 따라 압축기, 제1밸브 및 제2밸브의 동작을 제어하여 히트 펌프 시스템을 에어컨 또는 히터로 운전하는 단계를 포함하되;
상기 히팅 모드는 히트 펌프 시스템을 히터로 운전하는 동시에 PTC 히터를 온시키는 급속 히팅 모드를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 히트펌프 시스템 제어방법.