JP2011098710A - 電気自動車の空気調和装置とその制御方法 - Google Patents

電気自動車の空気調和装置とその制御方法 Download PDF

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正 煥 尹
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憲 秀 金
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Abstract

【課題】効率的に車両の室内暖房ができ、また、室内暖房のためのバッテリー電力の消耗量を低減させることができ、走行距離と燃費を向上させることができる電気自動車の空気調和装置を提供する。
【解決手段】電気自動車の空気調和装置は、空気を送風するブロワーと、前記ブロワーにより送風される空気の供給を受けるように設置された駆動モータと、前記ブロワーにより送風される空気の供給を受けて浄化後に車両室内に供給するように設置された空気浄化装置と、前記ブロワーにより送風される空気を前記駆動モータと空気浄化装置に配分して供給するように設置された第２弁と、前記駆動モータを通過した空気を車両室外に排出したり、前記空気浄化装置に供給するように設置された第３弁と、を含み、前記駆動モータと空気浄化装置を順次通過した空気が車両室内に供給されて室内暖房が行われるように構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は電気自動車の空気調和装置とその制御方法に係り、更に詳しくは、電気エネルギーを使用して駆動する電気自動車で効率的に室内暖房ができるようにし、特に、室内暖房のためのバッテリー電力の消耗量を低減することができ、走行距離と燃費を向上させることのできる電気自動車の空気調和装置とその制御方法に関する。
今日、化石燃料を燃料として使用するガソリンエンジンとディーゼルエンジンは排気ガスによる環境汚染、二酸化炭素による地球温暖化、オゾン生成などによる呼吸器疾患の誘発などのような多くの問題点を持っている。そして、地球上に存在する化石燃料は限定されているため、いつかは枯渇する危機に置かれている。
前記問題点を解決するために、駆動モータを駆動させて走行する純粋の電気自動車（ＥＶ）や、エンジンと駆動モータとで走行するハイブリッド車（ＨＥＶ）、燃料電池で生成される電力にて駆動モータを駆動させて走行する燃料電池車（ＦＣＥＶ）などのような電気自動車が開発されてきた。
前述した電気自動車は車両を駆動させるための駆動モータと合せて前記駆動モータに電力を供給する蓄電手段としてバッテリーを含み、また、駆動モータを回転させるためのインバーターが具備される。燃料電池自動車の場合も、バッテリーのような蓄電手段が主動力源である燃料電池と並列に連結される補助動力源として使用され、補助動力源としてバッテリーの他にスーパーキャパシタが具備された燃料電池ハイブリッドシステムも開発されている。前記インバーターは制御装置で印加される制御信号に従って蓄電手段（または燃料電池）から供給される電源を相変換させて駆動モータを駆動させる。
一方、電気自動車には室内暖房のための暖房装置が具備され、最近は空気浄化装置を備えて車両の室内空気を快適に維持できるようにしている。
電気自動車の暖房装置としてバッテリーの電力を利用するヒーター装置が使用されるが、このようなヒーター装置の例としてＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）ヒーターを挙げることができる。 ＰＴＣヒーターは既存のガソリン（またはディーゼル）車両でも車両の暖房性能を補完するための補助暖房装置として使用されている。
しかし、バッテリーに貯蔵された電気エネルギーを使用して駆動する電気自動車で暖房のためにヒーター装置（ＰＴＣヒーター）を使用すると、バッテリーの電力を消耗するため、車両の走行距離が短くなるという問題が発生し、燃料電池自動車の場合も室内暖房のための過度な電力消耗が燃費低下の要因となっている。
特開２００８−１５００３５号公報
本発明は前記のような問題点を解決するためになされたものであって、本発明の目的は、車両走行時に駆動モータの放出熱を補助室内暖房用として利用するように構成することで、より効率的に車両の室内暖房ができるようにし、特に、室内暖房のためのバッテリー電力の消耗量を低減させることができ、走行距離と燃費を向上させることができる電気自動車の空気調和装置を提供することにある。
前記目的を達成するために、本発明による電気自動車の空気調和装置は、空気を送風するブロワーと、前記ブロワーにより送風される空気の供給を受けるように設置された駆動モータと、前記ブロワーにより送風される空気の供給を受けて浄化後に車両室内に供給するように設置された空気浄化装置と、前記ブロワーにより送風される空気を前記駆動モータと空気浄化装置に配分して供給するように設置された第２弁と、前記駆動モータを通過した空気を車両室外に排出したり、前記空気浄化装置に供給するように設置された第３弁と、を含み、前記駆動モータと空気浄化装置を順次通過した空気が車両室内に供給されて室内暖房が行われるように構成されることを特徴とする。
前記空気浄化装置により浄化された空気を加熱して車両室内に供給するように設置された暖房装置と、前記空気浄化装置により浄化された空気を前記暖房装置と車両室内に配分して供給するように設置された第４弁と、を更に含み、前記駆動モータにより加熱された空気が前記暖房装置により追加で加熱された後、車両室内に供給されるように構成されることを特徴とする。
前記駆動モータを通過した空気が空気浄化装置に供給されるように、前記ブロワーにより送風される空気が供給される空気供給ラインで分岐されて駆動モータを経て空気浄化装置に連結されるバイパスラインが設置されることを特徴とする。
前記駆動モータ周辺を囲むようにハウジングが設置され、前記ハウジングは内部を通過する空気と駆動モータとの間の熱交換が行われる内部空間を有し、前記駆動モータ前端側のバイパスラインを介して前記ハウジングの内部空間に流入した空気が駆動モータの放出熱を吸収した後、駆動モータ後端側のバイパスラインを介して排出されることを特徴とする。
駆動モータ後端側のバイパスラインで分岐されて駆動モータを通過した空気が車両室外に排出されるようにする空気排出ラインが更に設置されることを特徴とする。
また、本発明は、空気を送風するブロワーが駆動される段階と、駆動モーターの温度が設置された基準温度１以上の高温状態まで上昇すると、前記ブロワーにより送風される空気を駆動モータに供給して駆動モータを冷却させる段階と、車両の室内温度が使用者が設定した要求温度より低い場合、前記駆動モータを通過した加熱された空気を空気浄化装置を通して車両室内に供給して室内暖房が行われるようにする段階と、を含むことを特徴とする。
前記室内暖房が行われる間、前記空気浄化装置を通過した空気を暖房装置を通過するように供給して前記暖房装置で追加で加熱された空気を車両室内に供給する段階とを更に含むことを特徴とする。
前記車両の室内温度から暖房が必要でないと判断すると、前記駆動モータを通過して加熱された空気を空気排出ラインを介して車両外部に排出させることを特徴とする。
前記車両の室内温度が設定された基準温度２以上の高温であれば、車両の室外空気がブロワーに供給されるようにした後、ブロワーにより送風される室外空気が前記駆動モータを通過するようにして、室外空気による駆動モータの冷却が行われるよううにすることを特徴とする。
本発明の電気自動車の空気調和装置とその制御方法によると、車両走行時に駆動モータの放出熱を補助室内暖房として利用することができることで、より効率的に暖房が可能となり、特に、車両の室内暖房のためのバッテリー電力の消耗量を低減させることができるため、走行距離と燃費を向上させるという長所がある。
特に、駆動モータの冷却と同時に、補助暖房機能の同時具現により冬季の効率的な車両の室内暖房を具現することができ、駆動モータの冷却を通して効率性を増大させるという利点がある。
更に、車両で重量と原価の多くを占めているブロワーを１つだけ具備しても駆動モータの冷却と駆動モータの放出熱を利用した暖房、空気浄化機能を全て具現することができ、部品数の縮小及び重量の低減、原価節減の効果を期待することができるようになる。
本発明の好ましい実施例に伴う電気自動車用空気調和装置を図示した構成図である。 本発明による空気調和装置を制御するための構成を図示したブロック図である。 本発明の好ましい実施例で駆動モータと空気の熱交換が行われるようにする構成図である。
以下、添付した図面を参照して本発明の実施例について詳しく説明する。
本発明はバッテリーに貯蔵されたり、燃料電池で生成された電気エネルギーを使用して駆動モータを駆動させることで走行する純粋な電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車などのような電気自動車の空気調和装置に関するものである。
本発明による空気調和装置は、車両走行時に駆動モータで発生する廃熱を利用して室内暖房を行う暖房装置に特徴があり、ＰＴＣヒーターやその他の車両に搭載され得るヒーター装置、または電気エネルギーを熱エネルギーに変換する補助熱交換装置を使用する電気自動車で冬季の室内暖房用補助装置として有用に適用され得る。即ち、本発明の空気調和装置は既存のＰＴＣヒーターやその他のヒーター装置、または補助熱交換装置と共に設置されて車両の室内暖房を行う補助暖房システムとして有用に適用できる。
図１は発明の好ましい実施例に伴う電気自動車用空気調和装置を図示した構成図であり、図２は本発明による空気調和装置を制御するための構成を図示したブロック図であり、図３は本発明の好ましい実施例で駆動モータと空気の熱交換が行われるようにする構成図である。
本発明では駆動モータを通過する空気の流れを車両の温度によって能動的に制御する構成を含む。
図１に示す通り、車両の室外空気と室内空気を送風するブロワー１０、ブロワー１０により送風される空気を浄化して車両室内に供給する空気浄化装置２０、空気浄化装置２０を通過して浄化された空気を加熱して車両室内に供給する暖房装置３０が具備される。暖房装置３０はバッテリー（図示せず）の電力の印加を受けて作動するＰＴＣヒーターやその他車両に搭載できるヒーター装置、または電気エネルギーを熱エネルギーに変換する補助熱交換装置となり得る。
暖房装置３０は駆動モータ４０の廃熱、即ち、車両走行時に駆動モータから放出される熱により空気を加熱した後、車両室内に供給することで、室内暖房を行う本発明の補助暖房システムで不足な熱量を補充するためのものである。
駆動モータ４０の温度が高くないため暖房に必要な十分な熱を駆動モータから放出できないとき、即ち、室内暖房用として駆動モータ４０での熱量が不足するとき、駆動モータ４０で１次加熱された空気が暖房装置３０により追加加熱されるようにした後、車両室内に供給されるようにする。これにより、車両の室内温度が目標とする暖房温度に容易に到達できるようになる。
更に、電気自動車でバッテリーの電力をインバーター（図示せず）を通して印加して駆動する車両駆動用モータ、即ち、駆動モータ４０が具備される。
本発明の空気調和装置において空気が流れる空気ライン（ダクトなどで構成され得る）としては、車両外部の室外空気が流入する第１空気流入ライン１と、車両室内を循環した室内空気が流入する第２空気流入ライン２が具備され、第１空気流入ライン１と第２空気流入ライン２は共通ライン、即ち、入口ライン３を通してブロワー１０の入口に連結される。
更に、ブロワー１０から送風される空気を車両室内に供給するための空気供給ライン４が具備され、空気供給ライン４の途中に空気浄化装置２０が設置されて、ブロワー１０により送風される空気が空気浄化装置２０を通過して浄化された後、車両室内に供給されるようになっている。
そして、空気浄化装置２０を通過して浄化された空気が暖房装置３０を通過した後、車両室内に最終供給されるように、空気浄化装置２０後端の空気供給ライン４で分岐された空気ヒーティングライン５が具備される。
空気ヒーティングライン５は空気浄化装置２０を通過して浄化された空気が車両室内に最終供給されるように車両室内側に連結され、空気ヒーティングライン５の途中に暖房装置３０が設置される。
これにより、空気浄化装置２０を経て空気ヒーティングライン５に供給された空気が暖房装置３０を通過しながら追加加熱された後、車両室内に最終吐出されて車両の室内暖房が行われる。
更に、ブロワー１０により送風される空気が駆動モータ４０を通過するように空気浄化装置２０前端の空気供給ライン４で分岐されたバイパスライン６が駆動モータ４０を経て空気浄化装置２０に連結される。そして、ブロワー１０により送風されてバイパスライン６に供給される空気がバイパスラインに沿って流れながら、駆動モータ４０を通過した後、空気浄化装置２０に供給されるようになっている。
ここで、バイパスライン６に沿って流れながら、駆動モータ４０を通過する空気が駆動モータで発生する熱を吸収して温度が上昇できるようにバイパスラインを形成するダクト及び駆動モータ周辺の空気通路が構成される。
また、駆動モータ４０後端のバイパスライン６で分岐された空気排出ライン７が具備され、これによりバイパスライン６に流入した後、駆動モータ４０を通過した空気が必要に応じて空気排出ライン７を介して車両室外に排出され得るようになっている。
図３には駆動モータ４０とこれを通過する空気の熱交換が行われるようにする構成図を示す。図３に示す通り、駆動モータ４０の周辺を囲むようにハウジング４１が設置され、ハウジング４１はその内部を通過する空気と駆動モータ４０との間の熱交換が行われるように、駆動モータ４０周辺に空気が通過できる内部空間が設けられている。
ハウジング４１の一側流入口４２と他側排出口４３には駆動モータ４０の前端側バイパスライン６と後端側バイパスライン（前端側バイパスラインと図面符号同一）が各々連結される。
即ち、駆動モータ４０の外部表面との間に空間ができるようにハウジング４１が駆動モータの周辺に設置され、前端側バイパスライン６を介してハウジング４１の内部空間に流入する空気が駆動モータ４０の外部表面とハウジング４１の内側面の内部空間を通過した後、後端側バイパスライン６を介してハウジング外部に排出される。
ハウジング４１の内部空間を通過する間、空気は駆動モータ４０と熱交換を行った後、ハウジング４１の外部に排出され、このとき空気は車両走行時に駆動モータ４０から発生する熱を吸収した後、外部に排出される。
このように駆動モータ４０の前、後端側バイパスライン６はハウジング４１の内部空間（前記の間隙）に連通されるように連結設置され、前端側バイパスラインを介して駆動モータ４０のハウジング４１内部に供給された室外空気または室内空気がハウジング４１内で駆動モータ４０の周辺を通過した後、後端側バイパスラインを介して排出される。
駆動モータ４０のハウジング４１の内部を通過する間、空気は車両走行時に駆動モータ４０で発生した廃熱を吸収した後、ハウジング４１から排出されるため、空気が駆動モータ４０を冷却させると同時に、駆動モータの放出熱により加熱された後、暖房用として供給され得る。
一方、空気の流れ方向を決定し、空気の経路を選定する多数の弁が設置される。まず、第１空気流入ライン１と第２流入ライン２が入口ライン３と連結される地点には、室外空気（外気）及び室内空気がブロワー１０に選択供給されるようにするための第１弁７１が設置される。
第１弁７１は、ブロワー１０前端に具備されて車両外部から流入する室外空気と車両室内を循環した室内空気を選択的にブロワー１０に供給するための弁である。
空気供給ライン４でバイパスライン６が分岐される位置には、ブロワー１０により供給される空気を空気浄化装置２０と駆動モータ４０に配分して供給するように設置された第２弁７２が具備される。バイパスライン６で空気排出ライン７が分岐される位置には駆動モータ４０を通過した空気を空気浄化装置２０に供給したり、車両室外に排出するように設置された第３弁７３が具備される。
更に、空気供給ライン４で空気ヒーティングライン５が分岐される位置には、空気浄化装置２０を通過した空気を暖房装置３０と車両室内に配分して供給するように設置された第４弁７４が具備される。
第１弁７１、第２弁７２、第３弁７３及び第４弁７４全て、制御装置６０が出力する制御信号によって動作が制御される電磁式弁であり、内部流路の開度状態によって空気の流れ方向が決定されるが、後述するとおり、制御装置６０の制御に従って全体の空気ラインで空気の経路が設置され得る。
もちろん、前記の各弁は選択的方向へのみ空気が流れるようにする転換弁の役割を行うように制御されたり、各方向の開度量の調節を通して空気量を適切に分配する分配弁の役割を行うように制御される。
前記のように構成された本発明の空気調和装置において、制御装置６０は図２に示したようにブロワー１０と空気浄化装置２０、暖房装置３０の駆動を制御し、また、室内温度センサー５２と外気温センサー５３、駆動モータの温度センサー５４の信号の入力を受けて、これを基にして各弁７１，７２，７３，７４の駆動を制御する。
制御装置６０は基本的に使用者が操作するスイッチ５１から空気浄化装置２０を作動させる信号が入力されると、空気浄化装置２０と共にブロワー１０を駆動させ、空気浄化装置２０の作動を中止させるための信号が入力されると、空気浄化装置２０とブロワー１０の作動を中止させる。
更に、制御装置６０は室内温度センサー５２の検出値である車両室内温度、外気温センサー５３の検出値である外気温度、駆動モータの温度センサー５４の検出値である駆動モータの温度を基にしてブロワー１０のオン、オフ、ブロワーの回転速度（送風量）、各弁の開度状態を制御することができ、また、使用者のスイッチ５１の操作によって空気浄化装置２０及びブロワー１０の駆動を制御することができる。
以下、ブロワー１０が作動する条件で、制御装置６０の制御例を説明する。
駆動モータの温度センサー５４の検出値である駆動モータの温度が予め設定された基準温度１以上の高温状態まで上昇すると、制御装置６０は各弁７１，７２，７３を制御してブロワー１０により供給される車両の室外空気と室内空気の大部分で駆動モータ４０の冷却を行う。
このとき、バイパスライン６を介して駆動モータ４０のハウジング４１の内部を通過した空気は駆動モータ４０で発生した熱を吸収したため、車両室内の一般的な空気より相対的に温度が高い。
従って、制御装置６０は室内温度センサー５２の検出値である車両の室内温度が使用者の設定した要求温度より低い場合は、暖房が必要な状態と判断して、駆動モータ４０を通過した暖かい空気を空気浄化装置２０に送り、空気浄化装置２０を通過して浄化された暖かい空気を車両室内に最終供給して室内暖房が行われるようにする。
この過程で制御装置６０は現在の車両の室内温度及び使用者の要求温度を基にして追加熱源が必要であると判断すると、暖房装置３０を作動させると同時に第４弁７４を制御して空気浄化装置１０を通過した空気を暖房装置３０に供給して、暖房装置３０で追加加熱された空気を車両室内に最終供給する。ここで、制御装置６０は車両の室内温度が一定時間経過後も使用者の要求温度に到達しない場合、追加熱源が必要であると判断する。
反面、駆動モータ４０が基準温度１未満で高温状態でない場合は、制御装置６０は各弁７１，７２を制御してブロワー１０により供給される空気の大部分を即時に空気浄化装置２０に供給し、空気浄化装置２０は公知技術のように供給される空気に含まれた埃と悪臭を活性炭とイオン発生器などにより制御して車両室内に供給する。
ブロワー１０により供給される空気が駆動モータ４０を経ずに空気浄化装置２０に供給される過程で、車両の室内温度が使用者が設定した要求温度より低く暖房が必要な状態と判断すると、空気浄化装置２０を通過した空気を暖房装置３０に供給し、暖房装置３０により加熱された空気を車両室内に最終供給して室内暖房が行われるようにする。
更に、制御装置６０は車両の室内温度から車両室内に暖房が必要ではないと判断すると、第３弁７３を制御して駆動モータ４０を通過した空気（正確には駆動モータのハウジング内部空間を通過した空気）を空気浄化装置２０に供給せずに空気排出ライン７を介して車両外部に排出させる。
このとき、制御装置６０は駆動モータ４０を通過しながら排出熱を吸収した空気を空気排出ライン７を介して車両外部に排出させることで、駆動モータ４０の冷却が行われるようにする。
更に、この過程で車両の室内温度があらかじめ設定された基準温度２以上の高温である場合、制御装置６０は第１弁７１を制御して車両の室外空気がブロワー１０に供給されるようにした後、ブロワー１０により送風される室外空気が駆動モータ４０を通過するようにして室外空気による駆動モータ４０の冷却が行われるようにすることができる。
このようにして、本発明による空気浄化装置は車両で重量と原価の多くを占めているブロワーを１つだけ具備しても駆動モータの冷却と駆動モータの廃熱を利用した暖房、空気浄化機能を全て実現することができ、部品数の縮小及び重量の低減、原価節減の効果を期待することができる。
特に、駆動モータの廃熱を室内暖房用として利用することで、より効率的に暖房が可能であり、室内暖房のためのバッテリー電力の消耗量を低減させることができるため、走行距離及び燃費を向上させることができる。
以上、本発明に関する好ましい実施例を説明したが、本発明は前記実施例に限定されず、本発明の属する技術範囲を逸脱しない範囲での全ての変更が含まれる。
１０ ブロワー
２０ 空気浄化装置
３０ 暖房装置
４０ 駆動モータ
４１ ハウジング
６０ 制御装置
７１ 第１弁
７２ 第２弁
７３ 第３弁
７４ 第４弁

Claims (9)

  1. 空気を送風するブロワーと、
    前記ブロワーにより送風される空気の供給を受けるように設置された駆動モータと、
    前記ブロワーにより送風される空気の供給を受けて浄化後に車両室内に供給するように設置された空気浄化装置と、
    前記ブロワーにより送風される空気を前記駆動モータと空気浄化装置に配分して供給するように設置された第２弁と、
    前記駆動モータを通過した空気を車両室外に排出したり、前記空気浄化装置に供給するように設置された第３弁と、
    を含み、
    前記駆動モータと空気浄化装置を順次通過した空気が車両室内に供給されて室内暖房が行われるように構成されることを特徴とする電気自動車の空気調和装置。
  2. 前記空気浄化装置により浄化された空気を加熱して車両室内に供給するように設置された暖房装置と、
    前記空気浄化装置により浄化された空気を前記暖房装置と車両室内に配分して供給するように設置された第４弁と、
    を更に含み、
    前記駆動モータにより加熱された空気が前記暖房装置により追加で加熱された後、車両室内に供給されるように構成されることを特徴とする請求項１記載の電気自動車の空気調和装置。
  3. 前記駆動モータを通過した空気が空気浄化装置に供給されるように、前記ブロワーにより送風される空気が供給される空気供給ラインで分岐されて駆動モータを経て空気浄化装置に連結されるバイパスラインが設置されることを特徴とする請求項１記載の電気自動車の空気調和装置。
  4. 前記駆動モータ周辺を囲むようにハウジングが設置され、前記ハウジングは内部を通過する空気と駆動モータとの間の熱交換が行われる内部空間を有し、前記駆動モータ前端側のバイパスラインを介して前記ハウジングの内部空間に流入した空気が駆動モータの放出熱を吸収した後、駆動モータ後端側のバイパスラインを介して排出されることを特徴とする請求項３記載の電気自動車の空気調和装置。
  5. 駆動モータ後端側のバイパスラインで分岐されて駆動モータを通過した空気が車両室外に排出されるようにする空気排出ラインが更に設置されることを特徴とする請求項３または４記載の電気自動車の空気調和装置。
  6. 空気を送風するブロワーが駆動される段階と、
    駆動モーターの温度が設置された基準温度１以上の高温状態まで上昇すると、前記ブロワーにより送風される空気を駆動モータに供給して駆動モータを冷却させる段階と、
    車両の室内温度が使用者が設定した要求温度より低い場合、前記駆動モータを通過した加熱された空気を空気浄化装置を通して車両室内に供給して室内暖房が行われるようにする段階と、
    を含むことを特徴とする電気自動車の空気調和装置の制御方法。
  7. 前記室内暖房が行われる間、前記空気浄化装置を通過した空気を暖房装置を通過するように供給して前記暖房装置で追加で加熱された空気を車両室内に供給する段階とを更に含むことを特徴とする請求項６記載の電気自動車の空気調和装置の制御方法。
  8. 前記車両の室内温度から暖房が必要でないと判断すると、前記駆動モータを通過して加熱された空気を空気排出ラインを介して車両外部に排出させることを特徴とする請求項６記載の電気自動車の空気調和装置の制御方法。
  9. 前記車両の室内温度が設定された基準温度２以上の高温であれば、車両の室外空気がブロワーに供給されるようにした後、ブロワーにより送風される室外空気が前記駆動モータを通過するようにして、室外空気による駆動モータの冷却が行われるよううにすることを特徴とする請求項８記載の電気自動車の空気調和装置の製造方法。
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