KR101459880B1

KR101459880B1 - 전기자동차용 히트펌프 시스템 제어방법

Info

Publication number: KR101459880B1
Application number: KR1020130016880A
Authority: KR
Inventors: 박재현; 김상훈; 공동현; 이창원; 박준형
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2013-02-18
Filing date: 2013-02-18
Publication date: 2014-11-07
Also published as: KR20140103474A; US9464838B2; US20140230469A1

Abstract

본 발명은 전기자동차의 히트펌프 시스템에서 환절기 등과 같은 난방 저부하 시 압축기 rpm을 감소시킬 수 있는 경우에 실내 공급열량을 유지하면서 압축기 rpm을 감소시키고, 압축기 rpm을 추가로 감소시킬 수 없는 경우에 HVAC 모듈의 개폐도어를 최고온도로 이동시키거나 냉매를 실외기에서 바이패스시킴으로써 히트펌프 시스템 용량을 감소시켜 소모동력을 절감할 수 있는 전기자동차용 히트펌프 시스템 제어방법에 관한 것이다.

Description

전기자동차용 히트펌프 시스템 제어방법{Control method for heat pump system of electric vehicle}

본 발명은 전기자동차의 히트펌프 시스템에서 전체적인 공조소모동력을 절감할 수 있는 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 자동차용 공기조화장치는 자동차의 실내를 냉난방하기 위한 에어컨 모듈을 포함한다.

이러한 에어컨모듈은 압축기의 구동에 의하여 토출되는 열교환매체가 응축기, 리시버 드라이어, 팽창밸브 및 증발기를 거쳐 다시 압축기로 순환하는 과정에서 증발기에 의한 열교환에 의하여 자동차의 실내를 냉방하거나 냉각수를 히터로 유입하여 열교환시킴으로써 실내를 난방하도록 구성된다.

한편, 최근 에너지 효율과 환경오염 문제에 대한 관심이 날로 커지면서 내연기관 자동차를 실질적으로 대체할 수 있는 친환경 자동차의 대표적인 예로서 연료전지나 전기를 동력원으로 하여 구동되는 전기 자동차나, 엔진과 전기배터리를 이용하여 구동되는 하이브리드 자동차 등의 개발이 요구되고 있다.

이러한 친환경 차량 중, 전기자동차에는 일반 차량의 공기조화장치와는 달리 별도의 히터가 사용되지 않고 난방 모드 시 고온, 고압의 기상 냉매를 히터 매체로 이용하며, 전기자동차에 적용되는 공기조화장치를 통상적으로 히트펌프 시스템이라 한다.

상기 히트펌프 시스템은 여름철 냉방 모드 시에 압축기로부터 압축된 고온, 고압의 기상 냉매는 실외열교환기(실외응축기)를 통해 냉각 및 응축된 후 리시버 드라이어 및 팽창밸브를 거쳐 증발기에 유입되고, 저온 저압의 냉매는 증발기에서 HVAC 모듈모듈(Heating, Ventilation, and Air Conditioning)에 유입된 외기와의 열교환을 통해 증발하고 HVAC 모듈에 유입되는 공기를 냉각시키며, HVAC 모듈의 개폐도어에 의해 실내응축기 측을 닫은 상태에서 냉각된 공기를 실내로 공급함으로써 실내온도를 낮춘다.

도 1은 종래기술에 따른 겨울철 난방 모드 시 히트펌프 시스템의 작동상태를 보여주는 일례로서, 겨울철 난방모드 시에는 압축기(1)에서 압축된 고온, 고압의 기상 냉매가 밸브를 통해 실외응축기가 아닌 실내응축기(2)로 유동하고 실내 HVAC 모듈(3)로 흡입된 외기와 열교환되며, HVAC 모듈(3)의 개폐도어(4)에 의해 실내응축기(2) 측을 개방한 상태에서 열교환된 외기가 PTC(Positive Temperature Coefficient) 히터(5)를 통과하면서 차량의 실내로 유입됨에 따라, 차량 실내 온도를 높인다.

그리고 실내응축기(2)로 유입된 고온, 고압의 기상 냉매는 흡입된 외기와의 열교환을 통하여 응축되어 다시 액상의 냉매로 토출된다.

하지만, 상기 난방 모드에서 난방 저부하 조건인 환절기 및 내기모드 작동 시, 예를 들어 난방모드에서 온도를 최고 온도에서 쿨링 온도 방향으로 이동시키면(도 1에서 점선의 개폐도어(4) 위치로 이동하면), 실내응축기(2)로 통과하는 외기의 풍량이 줄어들고 실내응축기(2)로 유입되는 고온, 고압의 냉매와의 열교환량이 줄어들기 때문에, 실내응축기(2)의 입구온도가 상승하고 실내응축기(2)의 방열량이 감소한다.

이에 따라 실내응축기(2)에서 배출되는 냉매의 압력이 상승함으로 인해 압축기(1)가 소모하는 동력이 증가하므로, 전체 공조 소모동력이 증가하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 전기자동차의 히트펌프 시스템에서 환절기 등과 같은 난방 저부하 시 압축기 rpm을 감소시킬 수 있는 경우에 실내 공급열량을 유지하면서 압축기 rpm을 감소시키고, 압축기 rpm을 추가로 감소시킬 수 없는 경우에 HVAC 모듈의 개폐도어를 최고온도로 이동시키거나 냉매를 실외기에서 바이패스시킴으로써 히트펌프 시스템 용량을 감소시켜 소모동력을 절감할 수 있는 전기자동차용 히트펌프 시스템 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템 제어방법은 전기자동차용 히트펌프 시스템에서 실내응축기의 방열량 부족조건의 만족여부를 판단하는 단계; 상기 실내응축기의 방열량 부족조건을 만족하는 경우에 압축기의 현 rpm 값을 측정하는 단계; 상기 측정된 압축기 rpm이 압축기의 최소 rpm 한계값보다 큰 지 여부를 판단하는 단계; 및 상기 압축기 rpm의 측정값이 최소 rpm 한계값보다 큰 경우에 압축기 rpm을 감소키는 단계를 포함하여, 난방 저부하 운전 시 공조소모동력을 절감할 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 방열량 부족조건은 실내응축기 방열 불리조건과 냉매압 센서값 기울기를 이용한 판단조건을 모두 만족하는 방열량 부족조건 1이고, 상기 실내응축기 방열 불리조건은 내기모드, 개별공조, 개폐도어 작동, 풍량 매뉴얼 감소 중 어느 하나이고, 냉매압 센서값 기울기를 이용한 판단조건은 냉매압 센서값 기울기가 설정값(β psi/min)보다 큰 지 여부를 판단하는 것을 특징으로 한다.

상기 방열량 부족조건은 냉매압 센서값이 냉매압 센서 기준값보다 큰 지 여부와, 냉매압 센서값 기울기가 설정값(β psi/min)보다 큰 지 여부를 모두 만족하는 방열량 부족조건 2인 것을 특징으로 한다.

상기 압축기 rpm을 감소키는 단계는 실내응축기를 통과하는 토출 풍량을 증가시키고 목표 토출온도를 감소시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 압축기 rpm의 측정값이 최소 rpm 한계값 보다 작거나 같은 경우에 히트펌프 시스템의 난방용량을 감소하거나 차량 실내의 축열을 실시하는 단계를 포함하여 시스템 압력 상승 방지 및 소모동력을 저감할 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.

상기 히트펌프 시스템의 난방용량을 감소하는 단계는 냉매를 실외기에서 바이패스시켜 난방용량을 감소하는 것을 특징으로 한다.

상기 차량 실내의 축열을 실시하는 단계는 냉난방 온도 조절을 위한 HVAC 모듈의 개폐도어를 최고 온도(Max warm)로 이동시켜 실내 온도를 상승시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템 제어방법의 장점을 설명하면 다음과 같다.

첫째로, 전기자동차의 주행 중 난방 저부하 시 발생하는 공조소모동력의 악화를 막아 차량 주행거리의 감소를 방지할 수 있다(환절기 1충전 주행거리 10% 증대).

둘째로, 실내 온도의 축열을 통해 공조효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 실외기 팬의 불필요한 작동을 방지하여 소모동력을 저감할 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템의 난방모드 시 작동상태도
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템 제어방법의 순서도
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템의 난방 모드 시 작동상태도
도 4는 도 3에서 HVAC 모듈의 출구의 P-H 선도

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하기로 한다.

첨부한 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템 제어방법의 순서도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템의 난방 모드 시 작동상태도이고, 도 4는 도 3에서 HVAC 모듈의 출구의 P-H 선도이다.

본 발명은 난방 저부하로 인해 전체 공조소모동력이 증가하는 것을 방지할 수 있는 전기자동차용 히트펌프 시스템 제어방법에 관한 것이다.

본 발명의 일실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 제어방법은 다음과 같다.

예를 들어, 난방 모드에서 난방 저부하 운전 시 실내콘덴서의 방열량 부족 여부를 판단한다.

상기 실내콘덴서의 방열량 부족 여부를 판단하기 위해 방열량 부족조건 1 또는 방열량 부족조건 2를 만족하는지 여부를 판단한다.

방열량 부족조건 1은 콘덴서 방열 불리조건인 내기모드, 개별공조, 개폐도어(4) 작동(난방모드에서 온도를 낮추는 쪽으로 작동), 풍량 매뉴얼 감소 중 어느 하나와, 현재 냉매압 센서값(APT value) 기울기가 β psi/min보다 큰 경우이고, 이를 만족하는지 여부를 판단한다.

상기 방열량 부족조건 1을 수식으로 나타내면 다음과 같다.

1) 콘덴서 방열 불리조건(내기모드, 개별공조, HVAC 개폐도어(4) 작동, 풍량 매뉴얼 감소) AND

2) APT value 기울기 > β psi/min

예를 들어, 내기모드 이면서 냉매압 센서값(APT value) 기울기가 β psi/min보다 큰 지 여부를 판단할 수 있다.

풍량 매뉴얼은 HVAC 모듈(3)에서 실내측으로 토출되는 공기의 풍량을 수동으로 조절가능하고, 풍량 매뉴얼의 감소는 상기 토출 풍량을 낮추는 것이다.

방열량 부족조건 2는 현재 냉매압 센서값이 기준값(APT reference)보다 크고, 현재 냉매압 센서값 기울기가 β psi/min보다 큰 지 여부를 판단한다.

상기 방열량 부족조건 2를 수식으로 나타내면 다음과 같다.

1) APT reference> APT reference AND

2) APT value 기울기> β psi/min

상기 방열량 부족조건 1 또는 방열량 부족조건 2를 만족하는 경우에는 실내응축기(2)의 방열량이 부족한 것으로 판단한다.

그 다음, 전동식 압축기(1)의 운전조건을 판단한다.

상기 전동식 압축기(1)의 운전조건은 현(現) 압축기(1)의 rpm을 피드백 받아 현 압축기 rpm과 최소 압축기 rpm을 비교하여 현(現) 압축기(1)의 rpm을 감소시킬 수 있는지 여부에 따라 히트펌프 제어모드 1과 히트펌프 제어모드 2로 구분한다.

히트펌프 제어모드 1은 압축기 rpm이 (최소 압축기 rpm + α)보다 큰 경우(comp rmp>min comp rpm+α)에 실내 공급열량을 유지하면서 압축기 rpm의 추가로 감소를 통해 압축기(1)의 소모동력 및 전체적인 공조소모동력의 증가문제를 해소할 수 있다.

다시 말해서, 상기 히트펌프 제어모드 1과 같이 압축기(1)의 rpm을 추가로 감소가능한 경우에 토출풍량을 증가시키고 목표 토출온도를 감소시킴으로써 실내응축기(2)의 방열량을 증가시켜 압축기(1)의 rpm 및 소모동력을 저감할 수 있고 더 나아가 전체적인 공조소모동력도 저감할 수 있다.

예를 들어, 토출풍량을 γ cmh 증가시키고, 토출온도를 δ℃ 감소시킬 때, 실내온도 제어 문제 발생을 방지하기 위해 토출온도 변경값은 아래의 수식에 의해 결정된다.

풍량(이전)×(토출온(이전)-실내응축기 입구온(이전))= 풍량(증가후)×(토출온(증가후)-컨덴서 입구온(증가후))

상기 히트펌프 제어모드 1에 의해 제어된 후 실내응축기(2) 방열량 부족조건 해제 시 이전 풍량제어로 복귀한다.

히트펌프 제어모드 2는 압축기 rpm이 (최소 압축기 rpm + α)보다 작거나 같은 경우(comp rmp≤min comp rpm+α)에 더 이상의 추가적인 압축기 rpm 감소가 불가능하므로, 히트펌프 시스템 용량을 감소시켜 시스템 압력증가를 방지한다.

상기 압축기 rpm의 추가 감소가 불가능한 경우에 토출풍량은 기존 로직 조건으로 복귀하고, HVAC 모듈(3)의 개폐도어(4)를 최고 온도(Max Warm)로 이동시켜 실내온도를 상승시킨다.

이때, (설정온도-실내온도)<1℃로 유지되는 경우에 HVAC 모듈(3)의 개폐도어(4)를 계속해서 최고 온도로 유지하고, (설정온도-실내온도)>1℃ 이상 증가하는 경우에 냉매를 실외기(9)에서 바이패스시킨다.

즉, 상기 개폐도어(4)가 최고 온도로 유지된 상태에서 실내온도가 계속 상승하거나 실내응축기(2)의 방열량 부족조건 유지 시 실외기(9)로의 냉매 유입을 차단하여 난방용량을 감소시키고, 실외기(9) 팬의 작동을 정지시킴으로서 시스템 압력을 감소 및 소모동력을 저감할 수 있다.

여기서, 상기 히트펌프 제어모드 2의 경우 히트펌프 시스템 용량을 감소시켜 시스템 압력증가를 방지하는 방법을 살펴보면 다음과 같다.

1) 실내 온도를 기준으로 실내응축기(2) 방열량을 일정 수준 증가시켜 소모동력을 저감한다.

2) 냉매 순환경로를 변경하여 시스템 용량을 축소하는 냉매 유로를 구성한다.

3) HVAC 모듈(3)에서 실내로의 토출온도와 목표 토출온도를 비교하여 냉매 유로를 제어한다.

4) 실내온도와 목표 실내온도를 비교하여 냉매 유로를 제어한다.

5) 냉매 유로 변경 시 실외기(9) 전반에 장착된 팬 작동을 정지하여 소모동력을 저감한다.

따라서, 본 발명에 의하면 전기자동차의 주행 중 난방 저부하 시 발생하는 공조소모동력의 악화를 막아 차량 주행거리의 감소를 방지할 수 있다(환절기 1충전 주행거리 10% 증대).

또한, 실내 온도의 축열을 통해 공조효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 실외기(9) 팬의 불필요한 작동을 방지하여 소모동력을 저감할 수 있다.

1 : 압축기
2 : 실내응축기
3 : HVAC 모듈
4 : 개폐도어
5 : PTC 히터
6 : 증발기
7 : 열교환기
8 : 폐열원(전장품)
9 : 실외기

Claims

삭제
전기자동차용 히트펌프 시스템에서 실내응축기(2)의 방열량 부족조건의 만족여부를 판단하는 단계;
상기 실내응축기(2)의 방열량 부족조건을 만족하는 경우에 압축기(1)의 현 rpm 값을 측정하는 단계;
상기 측정된 압축기 rpm이 압축기(1)의 최소 rpm 한계값보다 큰 지 여부를 판단하는 단계; 및
상기 압축기 rpm의 측정값이 최소 rpm 한계값보다 큰 경우에 압축기 rpm을 감소키는 단계;
를 포함하여, 난방 저부하 운전 시 공조소모동력을 절감할 수 있으며,
상기 방열량 부족조건은 실내응축기 방열 불리조건과 냉매압 센서값 기울기를 이용한 판단조건을 모두 만족하는 방열량 부족조건 1이고, 상기 실내응축기 방열 불리조건은 내기모드, 개별공조, 개폐도어(4) 작동, 풍량 매뉴얼 감소 중 어느 하나이고, 냉매압 센서값 기울기를 이용한 판단조건은 냉매압 센서값 기울기가 설정값(β psi/min)보다 큰 지 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 히트펌프 시스템 제어방법.
청구항 2에 있어서,
상기 방열량 부족조건은 냉매압 센서값이 냉매압 센서 기준값보다 큰 지 여부와, 냉매압 센서값 기울기가 설정값(β psi/min)보다 큰 지 여부를 모두 만족하는 방열량 부족조건 2인 것을 특징으로 하는 전기자동차용 히트펌프 시스템 제어방법.
청구항 2에 있어서,
상기 압축기 rpm을 감소키는 단계는 실내응축기(2)를 통과하는 토출 풍량을 증가시키고 목표 토출온도를 감소시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 히트펌프 시스템 제어방법.
청구항 2에 있어서,
상기 압축기 rpm의 측정값이 최소 rpm 한계값 보다 작거나 같은 경우에 히트펌프 시스템의 난방용량을 감소하거나 차량 실내의 축열을 실시하는 단계를 포함하여 시스템 압력 상승 방지 및 소모동력을 저감할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 전기자동차용 히트펌프 시스템 제어방법.
청구항 5에 있어서,
상기 히트펌프 시스템의 난방용량을 감소하는 단계는 냉매를 실외기(9)에서 바이패스시켜 난방용량을 감소하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 히트펌프 시스템 제어방법.
청구항 5에 있어서,
상기 차량 실내의 축열을 실시하는 단계는 냉난방 온도 조절을 위한 HVAC 모듈(3)의 개폐도어(4)를 최고 온도(Max warm)로 이동시켜 실내 온도를 상승시키는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 히트펌프 시스템 제어방법.