KR100863649B1 - 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치 및 그 구동장치의제어방법 - Google Patents

연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치 및 그 구동장치의제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 차량용 에어컨의 냉매 압축기 구동장치에 관한 것으로서, 차량 구동을 위한 구동모터의 동작여부와 무관하게 작동가능하며, 흡입측(310)에 흡입압력센서(311)와 흡입온도센서(313)를 구비하고 토출측(330)에 토출압력센서(331)를 구비하는 전기식 냉매 압축기(300)와; 상기 냉매 압축기(300)의 구동에 필요한 전기를 공급하기 위하여 연료전지에서 발생된 직류를 교류전원으로 변환하고, 이때 변환되는 교류전원의 주파수를 가변함으로써 상기 냉매 압축기(300)의 회전속도를 조절가능한 인버터를 포함하여 구성되는 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치를 제공한다. 본 발명은 또한 상기 구동장치의 제어방법에 관한 것이다.
연료전지, 에어컨, 컴프레서, 압축기

Description

연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치 및 그 구동장치의 제어방법{Apparatus for Driving a Refrigerant Compressor of a Fuel Cell Vehicle and Method for Controlling the Same}
도 1은 엔진구동 버스에 적용된 종래의 냉매 압축기 구동장치를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치의 일실시예를 도시한 것으로서, 연료전지 버스에 적용된 일례를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치의 다른 실시예를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치의 상기 다른 실시예에 적용되는 제어방법으로서 냉매 압축기 토출측의 과압문제를 해결하기 위한 제어방법을 압축기 RPM과 냉매 압력과의 관계 그래프로 도시한 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치의 상기 다른 실시예에 적용되는 제어방법으로서 냉매 압축기 흡입측으로의 액상 냉매의 유입을 방지하기 위한 제어방법을 설명하기 위한 참고도로서, R-134a 냉매의 포화증기압 선도를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치의 상기 다른 실시예에 적용되는 제어방법을 도시한 흐름도이다.
도 7은 본 발명에 따른 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치의 상기 다른 실시예에 적용되는 제어방법 중 인버터의 목표 출력주파수 결정방법을 도시한 흐름도이다.
도 8a는 본 발명에 따른 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치의 상기 다른 실시예에 적용되는 제어방법 중 인버터의 출력주파수 상한치 결정방법을 도시한 흐름도이다.
도 8b는 도 8a의 방법에 따라 결정한 상기 인버터 출력주파수 상한치를 압축기 토출측 냉매 압력과의 관계에서 도시한 그래프이다.
도 9a는 본 발명에 따른 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치의 상기 다른 실시예에 적용되는 제어방법 중 주파수 보정계수 결정방법을 도시한 흐름도이다.
도 9b는 상기 주파수 보정계수 결정에 사용되는 변수들간의 관계를 도해로 나타낸 것이다.
본 발명은 차량용 에어컨의 냉매 압축기 구동장치에 관한 것으로서, 특히 연료전지 방식으로 구동되는 차량, 그 중에서도 특히 버스에 구비된 냉매 압축기의 구동장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기 구동장치의 제어방법에 관한 것이다.
도 1은 엔진구동 버스에 적용된 종래의 냉매 압축기(이하 '압축기'라 지칭함) 구동장치(10)를 간략히 도시한 것이다. 도 1을 참조하면, 휘발유나 경유 등을 연료로 사용하는 내연기관, 즉 엔진(도시되지 않음)에 의해 구동되는 차량에서는, 차량의 에어컨 시스템 중 일부분인 압축기(30)를 구동하기 위한 방법으로, 엔진 출력축에 구비된 풀리(21)와 압축기(30)의 회전축에 구비된 풀리(31)를 벨트(40) 등으로 연결하여 엔진의 동력을 압축기(30)로 전달하는 벨트전동방식을 흔히 사용한다. 압축기(30)의 흡입측 및 토출측은 적절한 배관(51, 52)에 의해 버스 지붕쪽에 설치된 에어컨 장치(60)와 연결되어 있다.
엔진에 의해 구동되는 차량의 경우 주행 중 일시정지시에도 언제라도 즉시 주행을 재개할 수 있도록 엔진 시동을 끄지 않고 공회전을 시키는 것이 일반적이므로, 엔진에 의해 구동되며 도 1에 도시된 바와 같은 압축기 구동장치를 가지는 차량은 일시정지 상태에서도 엔진 동력을 이용하여 압축기를 작동할 수 있고, 따라서 에어컨 사용이 가능하다.
그러나, 연료전지 차량과 같이 엔진 대신 전기모터로 구동되는 차량의 경우, 정지상태로부터 즉시 주행이 가능한 공회전상태로 전환하는 동작, 즉 엔진의 시동과 같은 과정이 필요하지 않으므로, 주행중 일시정지 상태에서는 구동모터를 정지시키게 되고, 이에 따라 압축기의 작동이 불가능하게 되는 단점이 있다.
이러한 단점을 극복하기 위하여 다양한 시도가 있어 왔는데, 그 중 하나는 엔진구동 차량의 경우와 마찬가지로 차량이 일시정지한 상태에서도 구동모터를 계속 작동시키고, 그 회전동력으로 압축기와 기타 보기류(auxiliary machinery)를 구 동하는 것이다. 하지만, 이러한 방식으로 압축기를 구동하는 것은, 차량의 구동을 위해 사용되는 구동모터가 차량 정지시에도 계속 작동해야 하므로 이를 위해 클러치와 같은 동력단속수단을 반드시 필요로 한다는 단점이 있고, 또한 이에 따라 전반적인 에너지효율이 떨어진다는 점 역시 문제가 된다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 연료전지 차량의 에너지효율을 최적화하면서 차량의 정지시에도 냉매 압축기 구동이 가능한 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명은 특히 연료전지 버스에 사용되는 냉매 압축기 구동장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 냉매 압축기 구동장치의 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 그 일 형태로서, 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치로서, 차량 구동을 위한 구동모터의 동작여부와 무관하게 작동가능하며, 흡입측에 흡입압력센서와 흡입온도센서를 구비하고 토출측에 토출압력센서를 구비하는 전기식 냉매 압축기와; 상기 냉매 압축기의 구동에 필요한 전기를 공급하기 위하여 연료전지에서 발생된 직류를 교류전원으로 변환하고, 이때 변환되는 교류전원의 주파수를 가변함으로써 상기 냉매 압축기의 회전속도를 조절가능한 인버터를 포함하여 구성되는 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치를 제공한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 다른 일 형태로서, 상기 냉매 압축기 구동장치를 포함하는 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치 제어방법으로서, 압축기를 시동하는 단계; 상기 토출압력센서에 의해 상기 압축기의 토출측 압력을 측정하는 측정단계; 상기 측정된 토출측 압력을 압축기 토출측 압력 상한치와 비교하여 토출측 압력이 압축기 토출측 압력 상한치보다 큰 경우 압축기를 정지시키는 압축기정지단계; 압축기 정지 후, 상기 토출측 압력을 다시 측정한 다음 상기 토출측 압력을 상기 압축기 토출측 압력 상한치에서 소정의 안전여유를 뺀 값과 비교하는 압력비교단계; 및 상기 비교결과, 상기 토출측 압력이 상기 압축기 토출측 압력 상한치에서 소정의 안전여유를 뺀 값보다 작거나 같은 경우 압축기를 재시동하고, 이 조건을 만족하지 못할 경우 상기 압력비교단계로 되돌아가는 비교결과판단단계를 포함하여 구성되는 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치 제어방법을 제공한다.
상기 실시예의 변형예로서, 본 발명은, 상기 냉매 압축기 구동장치를 포함하는 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치 제어방법으로서, 압축기를 시동하는 단계; 상기 흡입압력센서에 의해 상기 압축기의 흡입측 압력을 측정하는 측정단계; 상기 측정된 흡입측 압력을 압축기 흡입측 압력 하한치와 비교하여 흡입측 압력이 압축기 흡입측 압력 하한치보다 작은 경우 압축기를 정지시키는 압축기정지단계; 압축기 정지 후, 상기 흡입측 압력를 다시 측정한 다음 상기 흡입측 압력을 상기 압축기 흡입측 압력 하한치에 소정의 안전여유를 더한 값과 비교하는 압력비교단계; 및 상기 비교결과, 상기 흡입측 압력이 상기 압축기 흡입측 압력 하한치에 소 정의 안전여유를 더한 값보다 크거나 같은 경우 압축기를 재시동하고, 이 조건을 만족하지 못할 경우 상기 압력비교단계로 되돌아가는 비교결과판단단계를 포함하여 구성되는 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치 제어방법을 제공한다.
상기 실시예의 변형예로서, 본 발명은, 상기 냉매 압축기 구동장치를 포함하는 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치 제어방법으로서, 압축기를 시동하는 단계; 상기 흡입압력센서 및 흡입온도센서에 의해 각각 상기 압축기의 흡입측 압력 및 흡입측 온도을 측정하는 측정단계; 상기 측정된 흡입측 압력을 압축기 흡입측 압력 하한치와 비교하는 제1 비교단계; 상기 제1 비교단계의 비교결과 상기 흡입측 압력이 상기 압축기 흡입측 압력 하한치보다 크거나 같은 경우, 미리 결정된 압축기 가동중지 시점에 포화증기압 곡선 대비 흡입측 압력의 마진값과, 상기 측정된 흡입측 온도로 계산한 냉매의 포화증기압 계산치에서 상기 흡입측 압력을 뺀 값인 DP값을 비교하는 제2 비교단계; 상기 제2 비교단계의 비교결과, 상기 DP값이 상기 미리 결정된 압축기 가동중지 시점에서 포화증기압 곡선 대비 흡입측 압력의 마진값보다 작은 경우 압축기를 정지하는 압축기정지단계; 및 압축기 정지 후 일정 시간 경과시 압축기를 재시동하는 압축기 재시동단계를 포함하여 구성되는 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치 제어방법을 제공한다.
한편, 상기 실시예의 압축기 재시동단계에서 상기 일정 시간은 1분인 것이 바람직하다.
상기 실시예의 변형예로서, 본 발명은, 상기 냉매 압축기 구동장치를 포함하는 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치 제어방법으로서, 압축기를 시동하는 단 계; 상기 흡입압력센서 및 흡입온도센서에 의해 각각 상기 압축기의 흡입측 압력 및 흡입측 온도을 측정하는 측정단계; 상기 측정된 흡입측 압력을 압축기 흡입측 압력 하한치와 비교하는 제1 비교단계; 상기 제1 비교단계의 비교결과 상기 흡입측 압력이 상기 압축기 흡입측 압력 하한치보다 크거나 같은 경우, 미리 결정된 압축기 가동중지 시점에 포화증기압 곡선 대비 흡입측 압력의 마진값과, 상기 측정된 흡입측 온도로 계산한 냉매의 포화증기압 계산치에서 상기 흡입측 압력을 뺀 값인 DP값을 비교하는 제2 비교단계; 상기 제2 비교단계의 비교결과, 상기 DP값이 상기 미리 결정된 압축기 가동중지 시점에서 포화증기압 곡선 대비 흡입측 압력의 마진값보다 크거나 같은 경우, 상기 흡입측 온도를 미리 설정한 압축기 흡입측 온도 하한치와 비교하는 제3 비교단계; 상기 제3 비교단계의 비교결과, 상기 흡입측 온도가 상기 미리 설정한 압축기 흡입측 온도 하한치보다 작거나 같으면 압축기를 정지하는 압축기정지단계; 및 압축기 정지 후 압축기를 재시동하는 압축기 재시동단계를 포함하여 구성되는 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치 제어방법을 제공한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 또 다른 일 형태로서, 상기 냉매 압축기 구동장치를 포함하는 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치 제어방법으로서, 압축기를 시동하는 단계; 압축기의 언로딩 신호를 읽어들여, 언로딩이 Low이면 언로딩 Low 신호시 인버터 출력주파수로서 미리 설정된 값을, 언로딩이 High이면 언로딩 High 신호시 인버터 출력주파수로서 미리 설정된 값을, 그리고 언로딩이 100%이면 압축기 100% 구동시 인버터 출력주파수로서 미리 설정된 값를 상기 인버 터의 목표 출력주파수의 초기값으로 설정하는 목표 출력주파수 설정단계; 상기 토출압력센서, 흡입압력센서 및 흡입온도센서에 의해 각각 상기 압축기의 토출측 압력, 흡입측 압력 및 흡입측 온도를 측정하는 측정단계; 상기 측정된 토출측 압력에 기하여 인버터 출력주파수 상한치를 결정하는 출력주파수 상한치 결정단계; 상기 인버터의 목표 출력주파수를 결정된 상기 인버터 출력주파수 상한치와 비교하여, A ＞ B 인 경우, 인버터 출력주파수 상한치를 새로운 목표 출력주파수로 설정하고, A ≤ B 인 경우 기존의 목표 출력주파수를 그대로 유지하는 목표주파수 1차수정단계; 상기 측정된 흡입측 압력 및 흡입측 온도에 기하여 목표 출력주파수 보정계수를 결정하는 주파수 보정계수 결정단계; 상기 1차수정단계에서 수정된 목표 출력주파수에 결정된 상기 목표 출력주파수 보정계수를 곱한 값을 새로운 목표 출력주파수로 설정하는 목표주파수 2차수정단계; 상기 2차수정단계에서 수정된 목표 출력주파수가 AL ≤ A ≤ AF 의 범위내에 있는지 판단하여, 이 조건을 만족하지 않는 경우 압축기를 정지하는 압축기 정지단계; 및 압축기 정지 후 압축기를 재시동하는 압축기 재시동단계를 포함하여 구성되는 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치 제어방법을 제공한다.
상기 또 다른 일 형태의 변형예로서, 본 발명은, 상기 냉매 압축기 구동장치를 포함하는 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치 제어방법으로서, 압축기를 시동하는 단계; 압축기의 언로딩 신호를 읽어들여, 언로딩이 Low이면 언로딩 Low 신호시 인버터 출력주파수로서 미리 설정된 값을, 언로딩이 High이면 언로딩 High 신호시 인버터 출력주파수로서 미리 설정된 값을, 그리고 언로딩이 100%이면 압축기 100% 구동시 인버터 출력주파수로서 미리 설정된 값를 상기 인버터의 목표 출력주파수의 초기값으로 설정하는 목표 출력주파수 설정단계; 상기 토출압력센서, 흡입압력센서 및 흡입온도센서에 의해 각각 상기 압축기의 토출측 압력, 흡입측 압력 및 흡입측 온도를 측정하는 측정단계; 상기 측정된 토출측 압력에 기하여 인버터 출력주파수 상한치를 결정하는 출력주파수 상한치 결정단계; 상기 인버터의 목표 출력주파수를 결정된 상기 인버터 출력주파수 상한치와 비교하여, A ＞ B 인 경우, 인버터 출력주파수 상한치를 새로운 목표 출력주파수로 설정하고, A ≤ B 인 경우 기존의 목표 출력주파수를 그대로 유지하는 목표주파수 1차수정단계; 상기 측정된 흡입측 압력 및 흡입측 온도에 기하여 목표 출력주파수 보정계수를 결정하는 주파수 보정계수 결정단계; 상기 1차수정단계에서 수정된 목표 출력주파수에 결정된 상기 목표 출력주파수 보정계수를 곱한 값을 새로운 목표 출력주파수로 설정하는 목표주파수 2차수정단계; 및 상기 2차수정단계에서 수정된 목표 출력주파수가 AL ≤ A ≤ AF 의 범위내에 있는지 판단하여, 이 조건을 만족하면 상기 목표 출력주파수를 상기 인버터로 송출하는 목표 출력주파수 송출단계를 포함하여 구성되는 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치 제어방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 실시예에서 상기 출력주파수 상한치 결정단계가, 상기 토출측 압력을 압축기 감속 시작시 토출측 압력 및 압축기 감속 종료시 토출측 압력과 각각 비교하여, SPo ≤ POUT2 이면 AF값을 출력주파수 상한치로 설정하고, SPo ≥ POUT3 이면 AL값을 출력주파수 상한치로 설정하며, POUT2 ＜ SPo ＜ POUT3 이면 출력 주파수 상한치를 다음 식에 의해 계산하는 것으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치 제어방법을 제공한다: B = (SLB × SPo) + YB; 이때 SLB는 상기 B 함수의 기울기를 나타내고, YB는 B 함수의 Y절편을 나타내며, 각각 SLB = (AL - AF)/(POUT2 - POUT3) 및 YB = AF - SLB × POUT2 로 계산됨.
바람직하게는, 상기 실시예에서 상기 목표 출력주파수 보정계수 결정단계가, 상기 흡입측 온도로 계산한 냉매의 포화증기압 계산치에서 상기 흡입측 압력을 뺀 값인 DP값을 압축기 감속시작 시점에서 포화증기압 곡선 대비 흡입측 압력의 마진값과 비교하여, DP ＞ PIHIGH 이면 목표 출력주파수 보정계수를 1로 설정하고, DP ≤ PIHIGH 이면 목표 출력주파수 보정계수를 다음 식에 의해 계산하는 것으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치 제어방법을 제공한다: FHZ = (SLFHZ × DP) + YFHZ; 이때 SLFHZ는 상기 FHZ 함수의 기울기를 나타내고, YFHZ는 FHZ 함수의 Y절편을 나타내며, 각각 SLFHZ = [1-(AL/AF)]/(PIHIGH - PILWR) 및 YFHZ = (AL/AF) - SLFHZ × PILWR 로 계산됨.
더욱 바람직하게는, 상기 실시예는, 상기 토출측 압력을 압축기 토출측 압력 상한치와 비교하여 토출측 압력이 압축기 토출측 압력 상한치보다 큰 경우 압축기를 정지시키는 압축기정지단계; 압축기 정지 후, 상기 토출측 압력을 다시 측정한 다음 상기 토출측 압력을 상기 압축기 토출측 압력 상한치에서 소정의 안전여유를 뺀 값과 비교하는 압력비교단계; 및 상기 비교결과, 상기 토출측 압력이 상기 압축 기 토출측 압력 상한치에서 소정의 안전여유를 뺀 값보다 작거나 같은 경우 압축기를 재시동하고, 이 조건을 만족하지 못할 경우 상기 압력비교단계로 되돌아가는 비교결과판단단계를 더 포함한다.
더욱 바람직하게는, 상기 실시예는, 상기 흡입측 압력을 압축기 흡입측 압력 하한치와 비교하여 흡입측 압력이 압축기 흡입측 압력 하한치보다 작은 경우 압축기를 정지시키는 압축기정지단계; 압축기 정지 후, 상기 흡입측 압력를 다시 측정한 다음 상기 흡입측 압력을 상기 압축기 흡입측 압력 하한치에 소정의 안전여유를 더한 값과 비교하는 압력비교단계; 및 상기 비교결과, 상기 흡입측 압력이 상기 압축기 흡입측 압력 하한치에 소정의 안전여유를 더한 값보다 크거나 같은 경우 압축기를 재시동하고, 이 조건을 만족하지 못할 경우 상기 압력비교단계로 되돌아가는 비교결과판단단계를 더 포함한다.
또한 바람직하게는, 상기 실시예는, 상기 흡입측 압력을 압축기 흡입측 압력 하한치와 비교하는 제1 비교단계; 상기 제1 비교단계의 비교결과 상기 흡입측 압력이 상기 압축기 흡입측 압력 하한치보다 크거나 같은 경우, 미리 결정된 압축기 가동중지 시점에 포화증기압 곡선 대비 흡입측 압력의 마진값과, 상기 흡입측 온도로 계산한 냉매의 포화증기압 계산치에서 상기 흡입측 압력을 뺀 값인 DP값을 비교하는 제2 비교단계; 상기 제2 비교단계의 비교결과, 상기 DP값이 상기 미리 결정된 압축기 가동중지 시점에서 포화증기압 곡선 대비 흡입측 압력의 마진값보다 작은 경우 압축기를 정지하는 압축기정지단계; 및 압축기 정지 후 일정 시간 경과시 압축기를 재시동하는 압축기 재시동단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 실시예는, 상기 흡입측 압력을 압축기 흡입측 압력 하한치와 비교하는 제1 비교단계; 상기 제1 비교단계의 비교결과 상기 흡입측 압력이 상기 압축기 흡입측 압력 하한치보다 크거나 같은 경우, 미리 결정된 압축기 가동중지 시점에 포화증기압 곡선 대비 흡입측 압력의 마진값과, 상기 흡입측 온도로 계산한 냉매의 포화증기압 계산치에서 상기 흡입측 압력을 뺀 값인 DP값을 비교하는 제2 비교단계; 상기 제2 비교단계의 비교결과, 상기 DP값이 상기 미리 결정된 압축기 가동중지 시점에서 포화증기압 곡선 대비 흡입측 압력의 마진값보다 크거나 같은 경우, 상기 흡입측 온도를 미리 설정한 압축기 흡입측 온도 하한치와 비교하는 제3 비교단계; 상기 제3 비교단계의 비교결과, 상기 흡입측 온도가 상기 미리 설정한 압축기 흡입측 온도 하한치보다 작거나 같으면 압축기를 정지하는 압축기정지단계; 및 압축기 정지 후 압축기를 재시동하는 압축기 재시동단계를 더 포함한다.
이하 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치의 일실시예를 도시한 것으로서, 연료전지 버스에 적용된 일례를 도시한 것이다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 압축기 구동장치(100)는, 도 1에 도시된 엔진구동 버스의 압축기 구동장치(10) 또는 이와 유사하게 차량의 정지시에도 구동모터를 작동시켜 그 회전력으로 압축기를 구동하도록 구성된 연료전지 차량의 압축기 구동장치와 달리, 전기에 의해 작동되는 전기식 냉매 압축기(300)를 구비한다. 또한, 상기 압축기(300)를 구동하는데 필요한 전기를 공급하기 위하여, 연료전지에서 발생된 고압의 직류(600V~900V)를 교류전원으로 변환하는 인버터(도시되지 않음)가 구비되어 있다. 인버터에서 직류를 교류로 변환할 때, 생성되는 교류의 주파수를 조절함으로써 압축기(300)의 구동모터(303)의 회전속도를 조절할 수 있도록 하는 것이 바람직하며, 이로써 압축기(300)의 회전속도를 조절할 수 있게 된다.
그런데, 상기와 같은 연료전지 차량용 압축기 구동장치(100)를 운용함에 있어 간헐적으로 압축기(300)에 과부하 현상 및 이음(異音)이 발생함을 알게 되었다.
연구결과, 상기와 같은 연료전지 차량용 압축기 구동장치(100)에 있어서, 압축기(300)의 구동에 필요한 소모동력은 압축기(300) 토출측의 압력변화에 매우 민감하게 반응한다는 것을 알게 되었다. 즉, 압축기(300) 토출측에 과압이 걸리게 되면 압축기(300)의 소모동력이 급격히 증가하게 된다. 인버터와 압축기 구동모터의 용량을 선정할 때 일반적으로 압축기 용량만을 고려하여 통상적인 구동범위 내임을 전제로 선정하게 된다는 점을 고려하면, 과부하시에는 인버터와 압축기 구동모터의 보호를 위해 압축기(300)를 정지시켜 에어컨 작동을 중지하는 것이 불가피하다. 한편, 압축기(300) 흡입측의 압력변화에 따른 압축기(300) 소모동력의 변화는 미세하였다.
이음은 압축기(300) 흡입측에 액상 냉매가 유입될 때 발생하는 것을 알 수 있었다. 에어컨 시스템에 사용되는 압축기는 일반적으로 용적식 압축기이므로, 그 흡입측에 액상 냉매가 유입될 경우 과부하가 걸리기 쉽고, 이에 따라 압축기 손상이 우려됨을 예견할 수 있다. 따라서, 과부하 현상과 압축기 손상을 방지하기 위해서는 압축기(300) 흡입측에 액상 냉매가 유입되는 것을 효과적으로 차단할 필요 가 있다.
상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치의 다른 실시예를 제공한다.
도 3에 도시된 실시예는, 비록 도 3에서 도시되지는 않았지만 기본적으로 도 2의 실시예에 나타난 구성요소를 모두 포함하며, 이에 덧붙여 압축기(300)의 흡입측(310)에 구비된 흡입압력센서(311) 및 흡입온도센서(313)와 압축기(300)의 토출측(330)에 구비된 토출압력센서(331)를 더 구비하는 것이다.
도 3과 함께 도 4를 참조하여, 상술한 압축기 토출측의 과압 문제의 해결방안에 대해 설명한다. 도 4는 도 3의 실시예에서 압축기 토출측의 과압문제를 해결하기 위한 제어방법을 압축기 RPM과 냉매 압력과의 관계 그래프로 도시한 것이다.
압축기 토출측(330)에 구비된 토출압력센서(331)는 압축기의 토출측(330) 압력을 관찰하는데 사용되는데, 통상적인 에어컨 시스템에서 압축기의 토출측(330)에 응축기(컨덴서)가 연결된다는 점을 생각하면, 이는 곧 응축기(도시되지 않음) 입구의 압력을 관찰하는 것으로 볼 수 있다. 토출압력센서(331)에 의해 감지된 토출측(330) 압력이 미리 설정된 제1 설정압 이상이 되면 인버터에서 압축기(300)의 회전속도를 낮추게 되고, 이로써 응축기의 열부하가 작아져 응축기 내의 온도와 압력이 떨어진다. 토출측(330) 압력이 계속 증가하는 경우 미리 설정된 제2 설정압에 이를 때까지는, 토출측(330) 압력의 변화에 따라 압축기(300)의 회전속도는 도 4의 그래프를 따라 감소하면서 일종의 평형상태를 유지하게 된다. 토출측(330) 압력이 제2 설정압을 초과하게 되면 압축기(300)의 회전속도는 제2 설정압에서의 회전속도 로 유지되며, 도 4의 실시예에서 그 때의 회전속도는 압축기 최대가동시의 30%로 나타나 있으나 이는 예시적인 것에 불과하다. 압축기(300)의 회전속도 감소에도 불구하고 압축기 토출측(330)의 압력이 제2 설정압 이후에도 계속 증가하여 마침내 압축기정지압력에 이르게 되면, 과압에 의한 기기파손을 방지하기 위하여 압축기(300)의 가동을 중단하는 것이 바람직하며, 이때 전체 에어컨 시스템의 운전 역시 중지된다.
다음으로, 도 3과 함께 도 5를 참조하여, 상술한 압축기 흡입측의 액상 냉매 유입 문제의 해결방안에 대해 설명한다. 도 5는 도 3의 실시예에서 압축기 흡입측(310)에 액상 냉매가 유입되는 것을 방지하기 위한 제어방법을 설명하기 위한 참고도로서, 일반적으로 사용되는 냉매인 R-134a의 포화증기압 선도를 도시한 것이다.
액상 냉매는 냉매의 과도한 냉각에 의해 발생하는 것이므로, 압축기(300)의 흡입측(310)에 액상 냉매가 유입되는 것은 기본적으로 과도하게 냉방을 하였을 때가 될 것이다. 액상 냉매의 발생여부는 압축기(300) 흡입측(310)에 구비된 흡입압력센서(311)와 흡입온도센서(313)에 의해 흡입측(310)의 압력 및 온도를 감지하고, 그 압력 및 온도를 도 5에 도시한 냉매의 포화증기압 선도와 비교함으로써 알 수 있다. 이와 같이 압축기 흡입측(310)의 압력 및 온도를 감지하여 이를 도 5의 포화증기압 선도에 도시된 냉매의 포화증기압 곡선과 비교하였을 때, 흡입측(310)의 기상(氣狀) 냉매가 상기 포화증기압 곡선에 접근하는 것으로 나타나면, 압축기의 회전속도를 낮추어 액상 냉매의 발생을 방지한다. 만약 압축기의 회전속도를 낮춘 후에도 냉매가 포화증기압 곡선에 계속 접근하여 한계치까지 가까워지면, 압축기의 운전을 중지하는 것이 바람직하다.
이하 도 3 내지 도 5와 더불어 도 6을 또한 참조하여, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치의 상기 다른 실시예에 적용되는 제어방법에 대하여 상세히 설명한다. 도 6은 본 발명에 따른 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치의 상기 다른 실시예에 적용되는 제어방법을 도시한 흐름도이다.
아래는 도 6의 흐름도에서 사용되는 변수 또는 상수의 정의를 나타낸 것이다.
A : 인버터 목표 출력주파수
AL : 언로딩 Low 신호시 인버터 출력주파수로서 미리 설정된 값
AH : 언로딩 High 신호시 인버터 출력주파수로서 미리 설정된 값
AF : 압축기 100% 구동시 인버터 출력주파수로서 미리 설정된 값
SPo : 압축기 토출측 압력센서 측정값
STi : 압축기 흡입측 온도센서 측정값
SPi : 압축기 흡입측 압력센서 측정값
LPOUT : 압축기 토출측 압력 상한치(압축기의 정지를 요하는 토출측 압력)
LPIN : 압축기 흡입측 압력 하한치(압축기의 정지를 요하는 흡입측 압력)
B : 인버터 출력주파수 상한치
PILWR : 압축기 가동중지 시점에서 포화증기압 곡선 대비 흡입측 압력의 마진 값
EPC : 압축기 흡입측에서 계측된 온도로 계산한 냉매의 포화증기압 계산치
DP : [EPC - SPi] (DP값이 (+)이면 냉매가 기체상태, (-)이면 액체상태임)
FHZ : 흡입측에서 계측된 온도 및 압력으로 계산한 주파수 보정계수
TIN _ LWR : 압축기 흡입측 온도 하한치(증발기 결빙방지용)
본 발명에 따른 압축기 구동장치 제어방법을 적용하기 위해 먼저 압축기(300)를 시동하여 에어컨 시스템을 가동한다(S10). 다음으로, 압축기 구동모터의 구동을 위한 교류전원을 공급하는 인버터에서 출력할 교류전원의 목표 주파수 A의 초기값을 결정한다(S20). 인버터의 출력주파수에 따라 압축기 구동모터의 회전속도가 달라지게 되고, 따라서 압축기의 회전속도를 조절할 수 있다. 목표 출력주파수 A의 초기값은 AL, AH 및 AF 중에서 선택되며, 이때 AL은 압축기(300)의 언로딩(unloading)이 Low 신호일 때의 인버터 출력주파수로서 미리 설정된 값을, AH는 압축기(300)의 언로딩이 High 신호일 때의 인버터 출력주파수로서 미리 설정된 값을, 그리고 AF는 압축기(300)를 가동범위 내에서 100% 구동할 때의 인버터 출력주파수로서 미리 설정된 값을 나타낸다. 목표 출력주파수 A의 초기값 결정방법의 상세는 후술한다.
이어서, 압축기(300)의 흡입측(310)에 구비된 흡입압력센서(311)의 압력값(SPi) 및 흡입온도센서(313)의 온도값(STi)과, 압축기(300)의 토출측(330)에 구비된 토출압력센서(331)의 압력값(SPo)을 읽는다(S30).
단계 S20과 단계 S30은 순서를 바꿔도 되고, 동시에 수행하여도 무방하다.
다음으로, 압축기 토출측(330)의 과압여부 판단을 위하여, 단계 S30에서 읽은 SPo값을, 압축기(300)의 정지를 요하는 토출측(330) 압력인 압축기 토출측(330) 압력 상한치로서 미리 결정된 값인 LPOUT과 비교한다(S41). SPo ≤ LPOUT 이면 압축기 토출측(330)이 과압상태가 아니므로 다음 단계인 B값 계산 단계(S50)로 진행한다. 만약 단계 S41의 판단결과가 SPo ＞ LPOUT 라면, 압축기 토출측(330)에 과압이 걸린 상태이므로, 압축기를 정지시킨다(S43). 압축기 정지 후 SPo값을 다시 읽은 다음(S44) 재차 SPo값과 LPOUT값을 비교하여(S45) SPo ≤ LPOUT - 1 을 만족하면, 압축기 토출측(330)의 과압상태가 충분히 해소된 것이므로 압축기(300)를 재시동한 후(S100) 단계 S20으로 돌아간다. 단계 S45에서의 판단결과 SPo ≤ LPOUT - 1 을 만족하지 못하면, 압축기 토출측(330)의 과압상태가 충분히 해소되지 못한 것이므로, 압축기 정지상태를 유지한 채로, 과압상태가 충분히 해소된 것으로 판단될 때까지 단계 S44 및 S45를 반복한다. 단계 S45에서 단계 S41과는 달리 SPo를 (LPOUT - 1)과 비교하는 것은 압축기 토출측(330)의 과압상태가 "충분히" 해소되었는지 여부를 판단하기 위하여 LPOUT값에서 소정의 안전여유를 뺀 값을 비교대상으로 삼은 것이며, 본 실시예에서는 안전여유를 1로 하였으나 이 값은 구체적인 에어컨 시스템에 따라 다르게 결정될 수 있다.
다음으로, 인버터 출력주파수의 상한치인 B값을 결정한다(S50). B값 결정에 대한 자세한 내용은 후술한다. 출력주파수 상한치 B값이 결정되면, 이를 목표 출력주파수 A의 초기값과 비교하여 목표 출력주파수를 1차 수정한다. 목표 출력주파수 A의 초기값을 결정된 B값과 비교하여(S51) A ＞ B 인 경우, 목표 출력주파수 A를 출력주파수 상한치 B보다 높게 하는 것은 바람직하지 않으므로, B값을 새로운 목표 출력주파수 값으로 설정한다(S53). A ≤ B 인 경우에는 목표 출력주파수 A가 출력주파수 상한치 B 이내이므로, 기존의 A값을 그대로 유지한다(S55).
이어지는 단계 S61에서는 흡입측(310) 냉매의 저압여부를 판단한다. 즉, 압축기의 정지를 요하는 흡입측 압력인 압축기 흡입측 압력 하한치로서 미리 결정된 값인 LPIN을 단계 S30에서 읽은 SPi값 즉, 압축기(300)의 흡입측(310)에 구비된 흡입압력센서(311)의 압력값과 비교한다(S61). 비교결과, SPi ≥ LPIN 이면 흡입측(310) 압력은 하한치 이상이므로 다음 단계인 단계 S67로 진행한다. 만약, SPi ＜ LPIN 이면 압축기 흡입측(310) 압력이 지나치게 낮은 것이므로, 압축기를 정지시킨다(S63). 압축기 정지 후 SPi값을 다시 읽은 다음(S64) 재차 SPi값과 LPIN값을 비교하여(S65) SPi ≥ LPIN + 1 을 만족하면, 압축기 흡입측(310)의 저압상태가 충분히 해소된 것이므로 압축기(300)를 재시동한 후(S100) 단계 S20으로 돌아간다. 단계 S65에서의 판단결과 SPi ≥ LPIN + 1을 만족하지 못하면, 압축기 흡입측(310)의 저압상태가 충분히 해소되지 못한 것이므로, 압축기 정지상태를 유지한 채로, 저압상태가 충분히 해소된 것으로 판단될 때까지 단계 S64 및 S65를 반복한다. 단 계 S65에서 단계 S61과는 달리 SPi를 (LPIN + 1)과 비교하는 것은 압축기 흡입측(310)의 저압상태가 "충분히" 해소되었는지 여부를 판단하기 위하여 LPIN값에 소정의 안전여유를 더한 값을 비교대상으로 삼은 것이며, 본 실시예에서는 안전여유를 1로 하였으나 이 값은 구체적인 에어컨 시스템에 따라 다르게 결정될 수 있다.
다음 단계인 단계 S67에서는, DP값과 PILWR값을 비교하여 압축기 흡입측(310)에 액상 냉매가 유입되었는지 여부를 판단한다. 여기서 DP값은 냉매의 상변화압력 즉, 포화증기압(계산치)에서 흡입측(310)의 실제 냉매 압력을 뺀 값을 나타내는 것으로서, 그 값의 부호가 (+)이면 냉매가 기체상태이고, (-)이면 액체상태임을 나타낸다. 그리고, PILWR값은 액상 냉매 유입을 방지하기 위해 압축기의 가동을 중지하여야 할 시점에서 포화증기압 곡선 대비 흡입측(310) 냉매 압력의 마진값을 나타내는 미리 설정된 값이다. DP값과 PILWR값의 비교결과, DP ≥ PILWR 이면 압축기 흡입측(310)에 액상 냉매가 유입될 가능성이 거의 없으므로, 다음 단계(S70)로 진행한다. 만약 DP ＜ PILWR 이면 곧 액상 냉매가 유입될 가능성이 높으므로 압축기(300)를 1분간 정지시키며(S67), 이어서 압축기를 재시동하여(S100) 다시 단계 S20으로 되돌아간다. 이때 1분이라는 압축기 정지시간은 예시적인 것으로서, 실제 에어컨 시스템에서는 여러 다른 값으로 적용될 수 있다.
다음으로, 목표 출력주파수 A값의 보정에 사용될 주파수 보정계수인 FHZ값을 결정한다(S70). FHZ값 결정에 대한 자세한 내용은 후술한다. FHZ값이 결정되면 이 값을 목표 출력주파수 A와 곱한 값을 새로운 목표 출력주파수 값으로 하여 목표 출력주파수를 2차 수정한다.
다음 단계는 압축기(300) 전단에 위치한 증발기(도시되지 않음) 내의 결빙을 방지하기 위하여, 압축기 흡입측(310) 온도(STi)를 증발기 결빙방지를 위해 미리 설정한 압축기 흡입측 온도 하한치인 TIN _ LWR값과 비교하는 단계이다. 압축기(300)의 흡입측(310)에 구비된 흡입온도센서(313)의 온도값 STi를 TIN _ LWR값과 비교한 결과(S81), STi ＞ TIN _ LWR 이면 압축기 흡입측 온도가 증발기 결빙방지를 위한 온도하한선 이상이므로, 다음 단계(S90)로 진행한다. 만약 STi ≤ TIN _ LWR 이면 에어컨을 계속 가동할 경우 증발기의 결빙 위험이 있으므로 압축기(300)를 정지시키고(S83), 그 후 압축기를 재시동하여(S100) 단계 S20으로 되돌아간다.
단계 S90에서는, 상술한 바와 같은 단계를 거쳐 결정된 목표 출력주파수 A를 인버터로 송출하기 전에, 마지막으로 이 목표 출력주파수가 압축기(300)의 가동범위 내에 있는지 여부를 확인한다. 즉, 목표 출력주파수 A가 AL ≤ A ≤ AF 를 만족하는지 판단하여(S90), 위 조건을 만족하면 A값을 인버터로 송출하여 그에 따라 인버터가 압축기 회전속도를 조절하도록 한다(S95). A값을 인버터로 송출한 이후에는 다시 단계 S20으로 되돌아가 상술한 과정을 반복함으로써 계속적으로 압축기 회전속도를 조절한다. 만약 A값이 상기 조건을 만족하지 않으면, 에어컨 시스템에 이상이 있는 것이므로 압축기를 정지시키고(S83), 그 후 압축기를 재시동하여(S100) 단계 S20으로 되돌아간다.
이하 도 3 내지 도 5와 더불어 도 7을 또한 참조하여, 단계 S20의 목표 출력주파수 A의 초기값 결정방법에 대하여 자세히 설명한다. 도 7은 본 발명에 따른 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치의 상기 다른 실시예에 적용되는 제어방법 중 인버터의 목표 출력주파수 결정방법을 도시한 흐름도이다.
아래는 도 7의 흐름도에서 사용되는 변수 또는 상수의 정의를 나타낸 것이다.
A : 인버터 목표 출력주파수
AL : 언로딩 Low 신호시 인버터 출력주파수로서 미리 설정된 값
AH : 언로딩 High 신호시 인버터 출력주파수로서 미리 설정된 값
AF : 압축기 100% 구동시 인버터 출력주파수로서 미리 설정된 값
단계 S20의 전단계인 단계 S10에서 압축기를 시동한 후, 단계 S20으로 진행하여 압축기의 언로딩 신호를 읽는다(S20a). 언로딩 신호는 Low, High, 100% 중에서 선택된다. 이어서 읽어들인 언로딩 신호의 값을 판별한다(S20b 및 S20c). 언로딩 이 Low이면(S20b) AL값을 목표 출력주파수 A값으로 설정한다(S20d). 언로딩이 Low가 아니면, 다시 언로딩이 High인지 여부를 판별한다(S20c). 언로딩이 High라면 AH값을 목표 출력주파수 A값으로 설정한다(S20e). 언로딩이 Low도 High도 아닌 경우 언로딩은 100%이므로, AF값을 목표 출력주파수 A값으로 설정한다(S20f). 이렇게 해서 인버터의 목표 출력주파수인 A값이 결정되었으며, 이어서 다음 단계인 단계 S30으로 진행하여 도 6에 도시된 제어방법을 수행한다.
다음으로, 도 3 내지 도 5와 더불어 도 8a 및 도 8b를 또한 참조하여, 단계 S50의 인버터 출력주파수 상한치 B 결정방법에 대하여 자세히 설명한다. 도 8a는 본 발명에 따른 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치의 상기 다른 실시예에 적용되는 제어방법 중 인버터의 출력주파수 상한치 결정방법을 도시한 흐름도이고, 도 8b는 도 8a의 방법에 따라 결정한 상기 인버터 출력주파수 상한치를 압축기 토출측 냉매 압력과의 관계에서 도시한 그래프이다.
아래는 도 8a 및 도 8b에서 사용되는 변수 또는 상수의 정의를 나타낸 것이다.
A : 인버터 목표 출력주파수
AL : 언로딩 Low 신호시 인버터 출력주파수로서 미리 설정된 값
AF : 압축기 100% 구동시 인버터 출력주파수로서 미리 설정된 값
SPo : 압축기 토출측 압력센서 측정값
POUT2 : 압축기 감속 시작시 토출측 압력(제1 설정압)
POUT3 : 압축기 감속 종료시 토출측 압력(제2 설정압)
LPOUT : 압축기 토출측 압력 상한치(압축기의 정지를 요하는 토출측 압력)
B : 인버터 출력주파수 상한치
YB : B 함수의 Y절편(B 함수는 도 8b의 그래프 중 경사진 부분을 나타내는 함수로서, 상기 경사진 부분의 범위 내에서 변화하는 B값을 나타내는 것임)
SLB : B 함수의 기울기
도 8a를 참조하면, 인버터 출력주파수 상한치를 나타내는 B값을 결정하기 위 하여, 우선 압축기 토출측(330) 압력 SPo를, 압축기 토출측(330)의 과압을 방지하기 위하여 압축기의 감속을 시작하는 미리 설정된 토출측 압력값인 POUT2와 비교한다(S50a). 그 비교 결과, SPo ≤ POUT2 이면 AF값을 출력주파수 상한치 B값으로 설정하고(S50c), 그렇지 않으면 다음 단계(S50b)로 진행한다. 단계 S50b에서는 압축기 토출측(330) 압력 SPo를, 압축기 토출측(330)의 과압을 방지하기 위하여 시작한 압축기의 감속을 종료하는 미리 설정된 토출측 압력값인 POUT3와 비교한다. 비교 결과, SPo ≥ POUT3 이면 AL값을 출력주파수 상한치 B값으로 설정하고(S50d), 그렇지 않다면, 즉 SPo값이 POUT2 ＜ SPo ＜ POUT3 의 범위에 있다면, 출력주파수 상한치 B는 아래 수학식 1 내지 3에 의해 계산한다(S50e).
B = (SLB × SPo) + YB
이때 상기 B 함수의 기울기를 나타내는 SLB와 B 함수의 Y절편을 나타내는 YB는 각각 다음 식에 의해 계산된다.
SLB = (AL - AF)/(POUT2 - POUT3)
YB = AF - SLB × POUT2
위 세 가지 경우의 B값(S50c, S50d, S50e)을 하나의 그래프로 도시한 것이 도 8b이다.
마지막으로, 도 3 내지 도 5와 더불어 도 9a 및 도 9b를 또한 참조하여, 단계 S70의 주파수 보정계수 FHZ 결정방법에 대하여 자세히 설명한다. 도 9a는 본 발명에 따른 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치의 상기 다른 실시예에 적용되는 제어방법 중 주파수 보정계수 결정방법을 도시한 흐름도이고, 도 9b는 상기 주파수 보정계수 결정에 사용되는 변수들간의 관계를 도해로 나타낸 것이다.
아래는 도 9a 및 도 9b에서 사용되는 변수 또는 상수의 정의를 나타낸 것이다.
A : 인버터 목표 출력주파수
AL : 언로딩 Low 신호시 인버터 출력주파수로서 미리 설정된 값
AF : 압축기 100% 구동시 인버터 출력주파수로서 미리 설정된 값
STi : 압축기 흡입측 온도센서 측정값
SPi : 압축기 흡입측 압력센서 측정값
B : 인버터 출력주파수 상한치
PIHIGH : 압축기 감속시작 시점에서 포화증기압 곡선 대비 흡입측 압력의 마진값
PILWR : 압축기 가동중지 시점에서 포화증기압 곡선 대비 흡입측 압력의 마진값
EPC : 압축기 흡입측에서 계측된 온도로 계산한 냉매의 포화증기압 계산치
DP : [EPC - SPi] (DP값이 (+)이면 냉매가 기체상태, (-)이면 액체상태임)
FHZ : 흡입측에서 계측된 온도 및 압력으로 계산한 주파수 보정계수
SLFHZ : FHZ 함수의 기울기(속도제어 구간에서 DP에 대한 FHZ 함수의 기울기)
YFHZ : FHZ 함수의 Y절편
도 9a를 참조하면, 목표 출력주파수 A의 보정계수인 FHZ값을 결정하기 위하여, 우선 포화증기압 EPC에서 압축기 흡입측 측정압력 SPi를 뺀 값인 DP값을 PIHIGH값과 비교한다(S70a). PIHIGH값은 압축기 흡입측의 액상 냉매 유입을 방지하기 위해 압축기를 감속시키기 시작하는 시점에서 포화증기압 곡선 대비 흡입측(310) 냉매 압력의 마진값을 나타내는 미리 설정된 값이다. 비교결과, DP ＞ PIHIGH 이면 FHZ = 1 로 설정하며(S70b), 그렇지 않다면 FHZ는 아래 수학식 4 내지 6에 의해 계산한다(S70c).
FHZ = (SLFHZ × DP) + YFHZ
이때 상기 FHZ 함수의 기울기를 나타내는 SLFHZ와 FHZ 함수의 Y절편을 나타내는 YFHZ는 각각 다음 식에 의해 계산된다.
SLFHZ = [1-(AL/AF)]/(PIHIGH - PILWR)
YFHZ = (AL/AF) - SLFHZ × PILWR
FHZ와 DP의 관계를 나타내는 그래프와, B와 STi의 관계를 나타내는 그래프를 PIHIGH와 PILWR의 관점에서 상호 연계하여 그 상관관계를 파악할 수 있도록 도시한 것이 도 9b이다.
한편, 냉매의 포화증기압 계산치 EPC는 냉매의 포화증기압 곡선을 근사적으로 표현한 함수에 의하여 그 값을 구할 수 있으며, 일반적으로 사용되는 R-134a 냉매에 대하여 임의의 온도에서 포화증기압을 구하려면, 예컨대 아래 수학식 7로부터 그 압력값을 구할 수 있다.
EPC = 0.00000000017763037246(STi)5 - 0.000000056981732844(STi)4 + 0.00000946870251160981(STi)3 + 0.00148829356566900000(STi)2 + 0.10584063227841200000(STi) + 1.9145463768124700000
이상 본 발명에 따른 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치와 그 구동장치에 적용되는 제어방법의 실시예를 첨부도면과 더불어 설명하였으나, 이러한 실시예는 단지 예시적인 것일 뿐 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 본 발명의 범위는 오직 하기의 특허청구범위의 기재에 의하여 정해진다. 본 발명에 대해서는 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 다양한 수정, 변경, 변형이 가능할 것이나, 이러한 수정, 변경, 변형은 모두 본 발명의 범위에 포함되는 것임에 유의하여야 한 다.
상술한 바와 같은 구성의 본 발명에 의하여, 연료전지 차량에 있어서, 에너지효율을 최적화하는 동시에 차량의 정지시에도 압축기 구동이 가능하게 되어 에어컨 시스템 가동이 가능하게 되는 효과가 있다.
또한, 이러한 연료전지 차량의 에어컨 시스템 구동시 발생하는 과압과 이음을 완벽히 방지할 수 있게 되는 효과가 있다.

Claims (14)

  1. 삭제
  2. 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치로서, 차량 구동을 위한 구동모터의 동작여부와 무관하게 작동가능하며, 흡입측(310)에 흡입압력센서(311)와 흡입온도센서(313)를 구비하고 토출측(330)에 토출압력센서(331)를 구비하는 전기식 냉매 압축기(300)와; 상기 냉매 압축기(300)의 구동에 필요한 전기를 공급하기 위하여 연료전지에서 발생된 직류를 교류전원으로 변환하고, 이때 변환되는 교류전원의 주파수를 가변함으로써 상기 냉매 압축기(300)의 회전속도를 조절가능한 인버터를 포함하여 구성되는 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치를 포함하는 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치 제어방법으로서,
    압축기를 시동하는 단계;
    상기 토출압력센서(331)에 의해 상기 압축기(300)의 토출측 압력(SPo)을 측정하는 측정단계;
    상기 측정된 토출측 압력(SPo)을 압축기 토출측 압력 상한치(LPOUT)와 비교하여 토출측 압력(SPo)이 압축기 토출측 압력 상한치(LPOUT)보다 큰 경우 압축기(300)를 정지시키는 압축기정지단계;
    압축기 정지 후, 상기 토출측 압력(SPo)을 다시 측정한 다음 상기 토출측 압력(SPo)을 상기 압축기 토출측 압력 상한치(LPOUT)에서 소정의 안전여유를 뺀 값과 비교하는 압력비교단계; 및
    상기 비교결과, 상기 토출측 압력(SPo)이 상기 압축기 토출측 압력 상한치(LPOUT)에서 소정의 안전여유를 뺀 값보다 작거나 같은 경우 압축기(300)를 재시동하고, 이 조건을 만족하지 못할 경우 상기 압력비교단계로 되돌아가는 비교결과판단단계를 포함하여 구성되는 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치 제어방법.
  3. 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치로서, 차량 구동을 위한 구동모터의 동작여부와 무관하게 작동가능하며, 흡입측(310)에 흡입압력센서(311)와 흡입온도센서(313)를 구비하고 토출측(330)에 토출압력센서(331)를 구비하는 전기식 냉매 압축기(300)와; 상기 냉매 압축기(300)의 구동에 필요한 전기를 공급하기 위하여 연료전지에서 발생된 직류를 교류전원으로 변환하고, 이때 변환되는 교류전원의 주파수를 가변함으로써 상기 냉매 압축기(300)의 회전속도를 조절가능한 인버터를 포함하여 구성되는 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치를 포함하는 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치 제어방법으로서,
    압축기를 시동하는 단계;
    상기 흡입압력센서(311)에 의해 상기 압축기(300)의 흡입측 압력(SPi)을 측정하는 측정단계;
    상기 측정된 흡입측 압력(SPi)을 압축기 흡입측 압력 하한치(LPIN)와 비교하여 흡입측 압력(SPi)이 압축기 흡입측 압력 하한치(LPIN)보다 작은 경우 압축기(300)를 정지시키는 압축기정지단계;
    압축기 정지 후, 상기 흡입측 압력(SPi)를 다시 측정한 다음 상기 흡입측 압력(SPi)을 상기 압축기 흡입측 압력 하한치(LPIN)에 소정의 안전여유를 더한 값과 비교하는 압력비교단계; 및
    상기 비교결과, 상기 흡입측 압력(SPi)이 상기 압축기 흡입측 압력 하한치(LPIN)에 소정의 안전여유를 더한 값보다 크거나 같은 경우 압축기(300)를 재시동하고, 이 조건을 만족하지 못할 경우 상기 압력비교단계로 되돌아가는 비교결과판단단계를 포함하여 구성되는 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치 제어방법.
  4. 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치로서, 차량 구동을 위한 구동모터의 동작여부와 무관하게 작동가능하며, 흡입측(310)에 흡입압력센서(311)와 흡입온도센서(313)를 구비하고 토출측(330)에 토출압력센서(331)를 구비하는 전기식 냉매 압축기(300)와; 상기 냉매 압축기(300)의 구동에 필요한 전기를 공급하기 위하여 연료전지에서 발생된 직류를 교류전원으로 변환하고, 이때 변환되는 교류전원의 주파수를 가변함으로써 상기 냉매 압축기(300)의 회전속도를 조절가능한 인버터를 포함하여 구성되는 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치를 포함하는 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치 제어방법으로서,
    압축기(300)를 시동하는 단계;
    상기 흡입압력센서(311) 및 흡입온도센서(313)에 의해 각각 상기 압축기(300)의 흡입측 압력(SPi) 및 흡입측 온도(STi)을 측정하는 측정단계;
    상기 측정된 흡입측 압력(SPi)을 압축기 흡입측 압력 하한치(LPIN)와 비교하는 제1 비교단계;
    상기 제1 비교단계의 비교결과 상기 흡입측 압력(SPi)이 상기 압축기 흡입측 압력 하한치(LPIN)보다 크거나 같은 경우, 미리 결정된 압축기 가동중지 시점에 포화증기압 곡선 대비 흡입측 압력의 마진값(PILWR)과, 상기 측정된 흡입측 온도(STi)로 계산한 냉매의 포화증기압 계산치(EPC)에서 상기 흡입측 압력(SPi)을 뺀 값인 DP값을 비교하는 제2 비교단계;
    상기 제2 비교단계의 비교결과, 상기 DP값이 상기 미리 결정된 압축기 가동중지 시점에서 포화증기압 곡선 대비 흡입측 압력의 마진값(PILWR)보다 작은 경우 압축기(300)를 정지하는 압축기정지단계; 및
    압축기 정지 후 일정 시간 경과시 압축기(300)를 재시동하는 압축기 재시동단계를 포함하여 구성되는 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치 제어방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 압축기 재시동단계에서 상기 일정 시간은 1분인 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치 제어방법.
  6. 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치로서, 차량 구동을 위한 구동모터의 동작여부와 무관하게 작동가능하며, 흡입측(310)에 흡입압력센서(311)와 흡입온도센서(313)를 구비하고 토출측(330)에 토출압력센서(331)를 구비하는 전기식 냉매 압축기(300)와; 상기 냉매 압축기(300)의 구동에 필요한 전기를 공급하기 위하여 연료전지에서 발생된 직류를 교류전원으로 변환하고, 이때 변환되는 교류전원의 주파수를 가변함으로써 상기 냉매 압축기(300)의 회전속도를 조절가능한 인버터를 포함하여 구성되는 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치를 포함하는 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치 제어방법으로서,
    압축기(300)를 시동하는 단계;
    상기 흡입압력센서(311) 및 흡입온도센서(313)에 의해 각각 상기 압축기(300)의 흡입측 압력(SPi) 및 흡입측 온도(STi)을 측정하는 측정단계;
    상기 측정된 흡입측 압력(SPi)을 압축기 흡입측 압력 하한치(LPIN)와 비교하는 제1 비교단계;
    상기 제1 비교단계의 비교결과 상기 흡입측 압력(SPi)이 상기 압축기 흡입측 압력 하한치(LPIN)보다 크거나 같은 경우, 미리 결정된 압축기 가동중지 시점에 포화증기압 곡선 대비 흡입측 압력의 마진값(PILWR)과, 상기 측정된 흡입측 온도(STi)로 계산한 냉매의 포화증기압 계산치(EPC)에서 상기 흡입측 압력(SPi)을 뺀 값인 DP값을 비교하는 제2 비교단계;
    상기 제2 비교단계의 비교결과, 상기 DP값이 상기 미리 결정된 압축기 가동중지 시점에서 포화증기압 곡선 대비 흡입측 압력의 마진값(PILWR)보다 크거나 같은 경우, 상기 흡입측 온도(STi)를 미리 설정한 압축기 흡입측 온도 하한치(TIN_LWR)와 비교하는 제3 비교단계;
    상기 제3 비교단계의 비교결과, 상기 흡입측 온도(STi)가 상기 미리 설정한 압축기 흡입측 온도 하한치(TIN_LWR)보다 작거나 같으면 압축기(300)를 정지하는 압축기정지단계; 및
    압축기 정지 후 압축기(300)를 재시동하는 압축기 재시동단계를 포함하여 구성되는 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치 제어방법.
  7. 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치로서, 차량 구동을 위한 구동모터의 동작여부와 무관하게 작동가능하며, 흡입측(310)에 흡입압력센서(311)와 흡입온도센서(313)를 구비하고 토출측(330)에 토출압력센서(331)를 구비하는 전기식 냉매 압축기(300)와; 상기 냉매 압축기(300)의 구동에 필요한 전기를 공급하기 위하여 연료전지에서 발생된 직류를 교류전원으로 변환하고, 이때 변환되는 교류전원의 주파수를 가변함으로써 상기 냉매 압축기(300)의 회전속도를 조절가능한 인버터를 포함하여 구성되는 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치를 포함하는 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치 제어방법으로서,
    압축기를 시동하는 단계;
    압축기의 언로딩 신호를 읽어들여, 언로딩이 Low이면 언로딩 Low 신호시 인버터 출력주파수로서 미리 설정된 값(AL)을, 언로딩이 High이면 언로딩 High 신호시 인버터 출력주파수로서 미리 설정된 값(AH)을, 그리고 언로딩이 100%이면 압축기 100% 구동시 인버터 출력주파수로서 미리 설정된 값(AF)를 상기 인버터의 목표 출력주파수(A)의 초기값으로 설정하는 목표 출력주파수 설정단계;
    상기 토출압력센서(331), 흡입압력센서(311) 및 흡입온도센서(313)에 의해 각각 상기 압축기(300)의 토출측 압력(SPo), 흡입측 압력(SPi) 및 흡입측 온도(STi)를 측정하는 측정단계;
    상기 측정된 토출측 압력(SPo)에 기하여 인버터 출력주파수 상한치(B)를 결정하는 출력주파수 상한치 결정단계;
    상기 인버터의 목표 출력주파수(A)를 결정된 상기 인버터 출력주파수 상한치(B)와 비교하여, A ＞ B 인 경우, 인버터 출력주파수 상한치(B)를 새로운 목표 출력주파수(A)로 설정하고, A ≤ B 인 경우 기존의 목표 출력주파수(A)를 그대로 유지하는 목표주파수 1차수정단계;
    상기 측정된 흡입측 압력(SPi) 및 흡입측 온도(STi)에 기하여 목표 출력주파수 보정계수(FHZ)를 결정하는 주파수 보정계수 결정단계;
    상기 1차수정단계에서 수정된 목표 출력주파수(A)에 결정된 상기 목표 출력주파수 보정계수(FHZ)를 곱한 값을 새로운 목표 출력주파수(A)로 설정하는 목표주파수 2차수정단계;
    상기 2차수정단계에서 수정된 목표 출력주파수(A)가 AL ≤ A ≤ AF 의 범위내에 있는지 판단하여, 이 조건을 만족하지 않는 경우 압축기(300)를 정지하는 압축기 정지단계; 및
    압축기 정지 후 압축기(300)를 재시동하는 압축기 재시동단계를 포함하여 구성되는 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치 제어방법.
  8. 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치로서, 차량 구동을 위한 구동모터의 동작여부와 무관하게 작동가능하며, 흡입측(310)에 흡입압력센서(311)와 흡입온도센서(313)를 구비하고 토출측(330)에 토출압력센서(331)를 구비하는 전기식 냉매 압축기(300)와; 상기 냉매 압축기(300)의 구동에 필요한 전기를 공급하기 위하여 연료전지에서 발생된 직류를 교류전원으로 변환하고, 이때 변환되는 교류전원의 주파수를 가변함으로써 상기 냉매 압축기(300)의 회전속도를 조절가능한 인버터를 포함하여 구성되는 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치를 포함하는 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치 제어방법으로서,
    압축기를 시동하는 단계;
    압축기의 언로딩 신호를 읽어들여, 언로딩이 Low이면 언로딩 Low 신호시 인버터 출력주파수로서 미리 설정된 값(AL)을, 언로딩이 High이면 언로딩 High 신호시 인버터 출력주파수로서 미리 설정된 값(AH)을, 그리고 언로딩이 100%이면 압축기 100% 구동시 인버터 출력주파수로서 미리 설정된 값(AF)를 상기 인버터의 목표 출력주파수(A)의 초기값으로 설정하는 목표 출력주파수 설정단계;
    상기 토출압력센서(331), 흡입압력센서(311) 및 흡입온도센서(313)에 의해 각각 상기 압축기(300)의 토출측 압력(SPo), 흡입측 압력(SPi) 및 흡입측 온도(STi)를 측정하는 측정단계;
    상기 측정된 토출측 압력(SPo)에 기하여 인버터 출력주파수 상한치(B)를 결정하는 출력주파수 상한치 결정단계;
    상기 인버터의 목표 출력주파수(A)를 결정된 상기 인버터 출력주파수 상한치(B)와 비교하여, A ＞ B 인 경우, 인버터 출력주파수 상한치(B)를 새로운 목표 출력주파수(A)로 설정하고, A ≤ B 인 경우 기존의 목표 출력주파수(A)를 그대로 유지하는 목표주파수 1차수정단계;
    상기 측정된 흡입측 압력(SPi) 및 흡입측 온도(STi)에 기하여 목표 출력주파수 보정계수(FHZ)를 결정하는 주파수 보정계수 결정단계;
    상기 1차수정단계에서 수정된 목표 출력주파수(A)에 결정된 상기 목표 출력주파수 보정계수(FHZ)를 곱한 값을 새로운 목표 출력주파수(A)로 설정하는 목표주파수 2차수정단계; 및
    상기 2차수정단계에서 수정된 목표 출력주파수(A)가 AL ≤ A ≤ AF 의 범위내에 있는지 판단하여, 이 조건을 만족하면 상기 목표 출력주파수(A)를 상기 인버터로 송출하는 목표 출력주파수 송출단계를 포함하여 구성되는 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치 제어방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 출력주파수 상한치(B) 결정단계가,
    상기 토출측 압력(SPo)을 압축기 감속 시작시 토출측 압력(POUT2) 및 압축기 감속 종료시 토출측 압력(POUT3)과 각각 비교하여, SPo ≤ POUT2 이면 AF값을 출력주파수 상한치(B)로 설정하고, SPo ≥ POUT3 이면 AL값을 출력주파수 상한치(B)로 설정하며, POUT2 ＜ SPo ＜ POUT3 이면 출력주파수 상한치(B)를 다음 식에 의해 계산하는 것으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치 제어방법:
    B = (SLB × SPo) + YB;
    이때 SLB는 상기 B 함수의 기울기를 나타내고, YB는 B 함수의 Y절편을 나타내며, 각각 SLB = (AL - AF)/(POUT2 - POUT3) 및 YB = AF - SLB × POUT2 로 계산됨.
  10. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 목표 출력주파수 보정계수(FHZ) 결정단계가,
    상기 흡입측 온도(STi)로 계산한 냉매의 포화증기압 계산치(EPC)에서 상기 흡입측 압력(SPi)을 뺀 값인 DP값을 압축기 감속시작 시점에서 포화증기압 곡선 대비 흡입측 압력의 마진값(PIHIGH)과 비교하여, DP ＞ PIHIGH 이면 목표 출력주파수 보정계수(FHZ)를 1로 설정하고, DP ≤ PIHIGH 이면 목표 출력주파수 보정계수(FHZ)를 다음 식에 의해 계산하는 것으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치 제어방법:
    FHZ = (SLFHZ × DP) + YFHZ;
    이때 SLFHZ는 상기 FHZ 함수의 기울기를 나타내고, YFHZ는 FHZ 함수의 Y절편을 나타내며, 각각 SLFHZ = [1-(AL/AF)]/(PIHIGH - PILWR) 및 YFHZ = (AL/AF) - SLFHZ × PILWR 로 계산됨.
  11. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 토출측 압력(SPo)을 압축기 토출측 압력 상한치(LPOUT)와 비교하여 토출측 압력(SPo)이 압축기 토출측 압력 상한치(LPOUT)보다 큰 경우 압축기(300)를 정지시키는 압축기정지단계;
    압축기 정지 후, 상기 토출측 압력(SPo)을 다시 측정한 다음 상기 토출측 압 력(SPo)을 상기 압축기 토출측 압력 상한치(LPOUT)에서 소정의 안전여유를 뺀 값과 비교하는 압력비교단계; 및
    상기 비교결과, 상기 토출측 압력(SPo)이 상기 압축기 토출측 압력 상한치(LPOUT)에서 소정의 안전여유를 뺀 값보다 작거나 같은 경우 압축기(300)를 재시동하고, 이 조건을 만족하지 못할 경우 상기 압력비교단계로 되돌아가는 비교결과판단단계를 더 포함하여 구성되는 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치 제어방법.
  12. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 흡입측 압력(SPi)을 압축기 흡입측 압력 하한치(LPIN)와 비교하여 흡입측 압력(SPi)이 압축기 흡입측 압력 하한치(LPIN)보다 작은 경우 압축기(300)를 정지시키는 압축기정지단계;
    압축기 정지 후, 상기 흡입측 압력(SPi)를 다시 측정한 다음 상기 흡입측 압력(SPi)을 상기 압축기 흡입측 압력 하한치(LPIN)에 소정의 안전여유를 더한 값과 비교하는 압력비교단계; 및
    상기 비교결과, 상기 흡입측 압력(SPi)이 상기 압축기 흡입측 압력 하한치(LPIN)에 소정의 안전여유를 더한 값보다 크거나 같은 경우 압축기(300)를 재시동하고, 이 조건을 만족하지 못할 경우 상기 압력비교단계로 되돌아가는 비교결과판 단단계를 더 포함하여 구성되는 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치 제어방법.
  13. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 흡입측 압력(SPi)을 압축기 흡입측 압력 하한치(LPIN)와 비교하는 제1 비교단계;
    상기 제1 비교단계의 비교결과 상기 흡입측 압력(SPi)이 상기 압축기 흡입측 압력 하한치(LPIN)보다 크거나 같은 경우, 미리 결정된 압축기 가동중지 시점에 포화증기압 곡선 대비 흡입측 압력의 마진값(PILWR)과, 상기 흡입측 온도(STi)로 계산한 냉매의 포화증기압 계산치(EPC)에서 상기 흡입측 압력(SPi)을 뺀 값인 DP값을 비교하는 제2 비교단계;
    상기 제2 비교단계의 비교결과, 상기 DP값이 상기 미리 결정된 압축기 가동중지 시점에서 포화증기압 곡선 대비 흡입측 압력의 마진값(PILWR)보다 작은 경우 압축기(300)를 정지하는 압축기정지단계; 및
    압축기 정지 후 일정 시간 경과시 압축기(300)를 재시동하는 압축기 재시동단계를 더 포함하여 구성되는 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치 제어방법.
  14. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 흡입측 압력(SPi)을 압축기 흡입측 압력 하한치(LPIN)와 비교하는 제1 비교단계;
    상기 제1 비교단계의 비교결과 상기 흡입측 압력(SPi)이 상기 압축기 흡입측 압력 하한치(LPIN)보다 크거나 같은 경우, 미리 결정된 압축기 가동중지 시점에 포화증기압 곡선 대비 흡입측 압력의 마진값(PILWR)과, 상기 흡입측 온도(STi)로 계산한 냉매의 포화증기압 계산치(EPC)에서 상기 흡입측 압력(SPi)을 뺀 값인 DP값을 비교하는 제2 비교단계;
    상기 제2 비교단계의 비교결과, 상기 DP값이 상기 미리 결정된 압축기 가동중지 시점에서 포화증기압 곡선 대비 흡입측 압력의 마진값(PILWR)보다 크거나 같은 경우, 상기 흡입측 온도(STi)를 미리 설정한 압축기 흡입측 온도 하한치(TIN _ LWR)와 비교하는 제3 비교단계;
    상기 제3 비교단계의 비교결과, 상기 흡입측 온도(STi)가 상기 미리 설정한 압축기 흡입측 온도 하한치(TIN _ LWR)보다 작거나 같으면 압축기(300)를 정지하는 압축기정지단계; 및
    압축기 정지 후 압축기(300)를 재시동하는 압축기 재시동단계를 더 포함하여 구성되는 연료전지 차량의 냉매 압축기 구동장치 제어방법.
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