KR101988342B1 - 전기자동차용 전열히터 장치 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 피티씨히터의 구동 제어시 듀티비(duty ratio)(이하, '듀티'라 함)에 의한 온도 제어 폭을 확대하고, 온도 증분이 균일한 분포를 가지도록 하는 전기자동차용 전열히터 장치 및 그 제어방법에 관한 것으로서,
상기 전열히터 장치는, 공조기제어부(11)의 제어 명령에 따라 스위칭부(13)를 제어하는 스위치 제어부;와, 상기 스위치 제어부의 스위칭제어 신호에 따라 스위칭되어 발열부로 배터리의 전력을 공급하는 스위칭부(13);와, 상기 스위칭부(13)의 전력을 공급받아 발열하는 발열부;를 포함하며, 상기 스위칭부(13)는 상기 발열부의 출력 부하에 대한 제어를 수행할 수 있도록 설정되는 복 수개의 스위칭모듈(13a~13c)을 포함하여 구성되고, 상기 스위치 제어부는 목표 발열 온도에 따라 상기 하나 이상의 스위칭모듈(13a~13c 중 하나)을 순차적으로 구동시키도록 구성되어,
온도제어 범위를 확장하고, 최저제어 온도를 낮추어 사이클링 발생을 억제하며, 불필요한 배터리 전력 소모를 방지하는 효과를 제공한다.

Description

전기자동차용 전열히터 장치 및 그 제어방법{Electric heater apparatus for electric vehicle and its control method}
본 발명은 전기자동차용 전열히터 장치 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 피티씨히터의 구동 제어시 듀티비(duty ratio)(이하, '듀티'라 함)에 의한 온도 제어 폭을 확대하고, 온도 증분이 균일한 분포를 가지도록 하는 전기자동차용 전열히터 장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
종래 자동차의 난방시스템은 열교환매체(엔진냉각수)를 유로 상에 흐르게 하고, 상기 엔진냉각수가 열교환기를 통과할 때 차실 내로 공급되는 공기와 상기 연교환매체의 열을 열교환시켜 공기의 온도를 높임으로써 차량의 실내를 난방하였다.
최근의 자동차는 유류를 사용하지 않아 공해를 발생시키지 않는 무공해 전기자동차가 개발되고 있는데, 이러한 순수하게 모터로만 구동되는 전기자동차의 경우에는 모터를 냉각하기 위한 냉각수의 발열량이 연소식 엔진을 이용하는 일반 자동차 또는 하이브리드 자동차에 비해 현저하게 낮기 때문에 전기자동차의 경우에는 난방에 대한 대책이 시급한 실정이다.
이에, 온도조절도어가 장착되지 않으면서도 증발기의 후방에 피티씨히터(Positive Temperature Coefficient heater)(이하, 'PTC히터'라 함)를 설치하여 운전자의 냉난방 요구에 맞는 온도를 차량의 실내에 보낼 수 있도록 개발된 기술이 다수 개시되어 있으며, 일례로 대한민국 공개특허 제2010-0038571호를 들 수 있다.
이러한 종래 기술들의 전기자동차용 PTC히터는 배터리의 전력을 이용하여 난방을 수행하며, 피티씨히터에 인가하는 전압을 변화(PWM;pulse width modulation 제어방식)시켜 온도를 제어하는 방식으로 이루어진다.
도 1은 전기자동차에 적용되는 이러한 종래기술의 PWM제어방식의 PTC히터장치(10)의 개략적인 구성을 나타내는 회로도이다.
도 1과 같이 종래기술의 전기자동차의 PTC히터장치(10)는 전기자동차 내부의 냉난방 및 송풍을 제어하는 공조기제어부(11)와, 공조기제어부(11)의 난방 제어 명령에 따라 PTC히터(17)로 전력을 공급하는 고전압 스위칭부(13)를 제어하는 PTC마이콤(12)과, PTC마이콤(12)의 스위칭 제어 명령에 따라 스위칭되어 배터리부(미도시)의 전력을 PTC히터(17)로 공급하는 스위칭부(13)와, 스위칭부(13)의 스위칭에 의해 공급되는 전력에 의해 정온 발열을 수행하는 PTC히터(17)를 포함하여 구성된다.
상술한 종래기술의 PTC히터장치(10)에서 상기 스위칭부(13)는 고전압 스위칭소자인 IGBT(Insulated Gate Bipolar mode Transistor)로 구성되며, IGBT의 소비 전류 허용치의 제한에 의해 최대 출력 부하에 따라 다수의 IGBT가 적용된다. 도 1의 경우에는 최대 6kW급 PTC히터를 위하여 3개의 2kW급 IGBT가 제 1 내지 제 3 스위칭모듈(13a~13c)로 분리 구성된 것을 예로 하여 도시하였다.
도 2는 상술한 구성을 가지는 종래기술의 PTC히터장치(10)에서의 온도제어를 위한 듀티제어를 나타내는 그래프이다.
도 2와 같이 종래기술의 PTC히터장치(10)에서는 균일한 온도 분포를 위해 모든 IGBT에 동일한 입력 신호를 인가하였다. 이로 인해 복수의 IGBT가 동시에 제어됨에 따라 하나의 듀티제어 구간을 가지게 되어 낮은 듀티에서의 발열량이 높아 제어가 가능한 구간이 작아지는 문제점을 가진다. 도 2에서는 도면 부호 'O'는 하나의 듀티제어 구간에 대응하는 PTC히터(17)의 발열량 또는 PTC히터(17)로 인가되는 종래의 PTC인가 전력(O)을 나타낸다.
즉, 동시에 3개의 IGBT에 동일한 입력신호를 인가하게 되므로, 최저 듀티에서의 발열이 3배가 되어 그만큼 저온 제어 폭이 줄어들게 되는 것이다. 이로 인해 최소 발열량의 폭이 작아, 최소 발열량보다 낮은 온도를 위한 발열이 필요한 경우 최저 제어 온도에서 온/오프를 반복 수행하는 사이클링(cycling)이 빈번하게 발생하여 전력 소모가 커지는 문제점 또한 발생한다. 전력소모가 커지는 이유는 PTC히터가 최저 온도에서 구동하는 경우 낮은 저항에 의해 큰 전류가 흐르게 되기 때문이다.
도 3은 IGBT 1개의 리플전류를 나타내는 그래프이고, 도 4는 IGBT N개를 동시 제어할 때의 리플전류를 나타내는 그래프로서, 보는 바와 같이, IGBT 1개의 리플전류는 작지만, 종래기술과 같이 IGBT N개를 동시에 제어하게 되면 리플전류가 N배가 되어 배터리의 수명이 저하되는 문제도 있다.
따라서, 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 전기자동차에 적용되는 전열히터 장치에 있어서, PTC히터의 온도 제어폭을 확장시키는 것에 의해 저온 영역의 범위를 확장시키고, 낮은 온도를 위한 제어에서 PTC히터의 사이클링 발생을 최소화시키는 전기자동차용 전열히터 장치 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전기자동차용 전열히터 장치는, 상기 전기자동차에 설치되는 전원공급부;와, 공조기제어부(11)의 제어 명령에 따라 스위칭부(13)를 제어하는 스위치 제어부;와, 상기 스위치 제어부의 스위칭제어 신호에 따라 스위칭되어 발열부로 상기 전원공급부의 전력을 공급하는 스위칭부(13);와, 상기 스위칭부(13)의 전력을 공급받아 발열하는 발열부;를 포함하며, 상기 스위칭부(13)는 상기 발열부의 출력 부하에 대한 제어를 수행할 수 있도록 설정되는 복 수개의 스위칭모듈(13a~13c)을 포함하여 구성되고, 상기 스위치 제어부는 목표 발열 온도에 따라 상기 하나 이상의 스위칭모듈(13a~13c 중 하나)을 순차적으로 구동시키도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 스위칭모듈(13a~13c)은 고전압 스위칭 소자인 IGBT로 구성되고, 상기 스위치 제어부는 상기 IGBT의 개수에 따라 상기 발열부의 온도 제어 구간을 나눈 후, 하나의 IGBT의 최대 허용치 전류용량을 초과하지 않는 전류에 의해 온도제어를 수행하는 경우에는 하나의 IGBT에 대한 듀티제어를 수행하고, 두 개 이상의 IGBT의 전류 용량 범위 내의 전류에 의해 온도제어를 수행하는 경우에는 하나의 IGBT는 듀티제어를 수행하고 다른 IGBT는 포화구동상태(Full ON)를 유지하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 스위치 제어부는 온도감소제어를 수행하는 경우에는 듀티제어가 수행되는 IGBT의 최저 듀티제어 값에 도달한 경우 듀티제어를 수행하는 IGBT를 오프시킨 후 이전의 포화구동상태를 유지하는 IGBT 중 하나의 IGBT를 듀티제어하는 것에 의해 온도를 낮추도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 스위치 제어부는 상기 IGBT의 게이트단자로 PWM제어신호를 인가하는 것에 의해 상기 스위칭부의 온/오프를 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 발열부는 정온 발열 특성을 가지는 PTC히터인 것을 특징으로 한다.
상기 전원공급부는, 상기 전기자동차를 구동하는 고전압 배터리인 것을 특징으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전기자동차용 전열히터 장치 제어방법은, 복수의 스위칭모듈(13a~13c)로 이루어지는 스위칭부(13)를 구비하고, PTC히터(17)의 듀티제어 구간을 복수의 스위칭모듈에 대응하는 개수의 구간을 가지도록 분할하여 PTC히터의 발열을 제어하는 전기자동차용 전열히터 장치(100)에 있어서, 하나의 IGBT의 최대 허용치 전류용량을 초과하지 않는 전류에 의해 온도제어를 수행하는 경우에는 하나의 IGBT에 대한 듀티제어를 수행하는 초기듀티제어과정(S30);과, 상기 듀티제어가 수행되는 과정에서 전력량이 복수의 듀티제어 구간에 걸친 듀티제어의 전력량 합의 값을 가지는 경우 상기 듀티제어 구간 폭에 대응하는 전력을 출력하도록, 하나의 스위칭소자는 듀티제어를 수행하고, 다른 스위칭소자들은 포화상태로 제어하는 포화듀티제어과정(S40);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 초기듀티제어과정(S30)은 또한, 초기 구동시 설정 온도가 상기 하나의 스위칭모듈(13a~13c)의 소비전류 허용치보다 큰 경우, 상기 설정 온도에 필요한 소비전류를 포함하도록 복수의 스위칭모듈(13a~13c)을 구동시키고 하나의 스위칭모듈(13a~13c)은 듀티제어를 수행하며, 다른 스위칭모듈(13a~13c)들은 포화상태로 제어하는 과정일 수 있다.
상기 포화듀티제어과정(S40)은, 설정 온도가 복수의 스위칭모듈의 전류허용치 합계의 전류를 초과하는 경우 듀티제어 대상 스위칭모듈(13a~13c)은 포화구동상태를 유지하고, 다른 하나의 스위칭모듈(13a~13c)을 온 시킨 후 새로이 온된 스위칭모듈(13a~13c)에 대한 듀티제어를 수행하는 온도증가포화듀티제어과정(S60);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 포화듀티제어과정(S40)은, 듀티별제어가 수행되는 스위칭모듈(13a~13c)이 해당 구간에서 최소 듀티제어 값에 의해 제어되는 상태에 도달한 경우 상기 듀티별제어가 수행되는 스위칭모듈(13a~13c)을 오프시킨 후 포화상태로 구동 중인 스위칭모듈(13a~13c) 중 하나의 스위칭모듈(13a~13c)에 대한 듀티제어를 수행하고 구동 중인 다른 스위칭모듈(13a~13c)들은 포화상태로 제어하며, 온도 감소에 따라 이러한 과정을 반복 수행하는 온도감소포화듀티제어과정(S70);을 더 포함하여 이루어질 수 있다.
상술한 본 발명의 전기자동차용 전열히터 장치 제어방법은, 또한, 초기에 PTC히터(17)의 설정온도의 전류치를 연산하여 연산된 전류치가 하나의 스위칭모듈(13a~13c)의 최대 전류 허용치를 초과하는 지를 판단하여 최대 전류 허용치를 초과하는 경우 포화듀티제어과정(S40)을 수행하고, 최대 전류 허용치를 초과하지 않는 경우 초기듀티제어과정(S30)을 수행하도록 하는 듀티제어판단과정(S20);을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상술한 구성을 가지는 본 발명의 전기자동차의 전열히터 장치 및 그 제어방법은, 피티씨히터를 제어함에 있어서, 스위칭모듈의 개수에 따라 듀티제어 구간인 온도 제어 구간을 복수로 분할한 후 각각의 분할된 듀티제어 구간에 대해서는 듀티제어를 수행하고, 이전의 포화상태로 제어되는 각각의 듀티제어 구간 각각에 대응하는 스위칭모듈이 포화상태로 구동하도록 제어하는 것에 의해 전기자동차의 실내 온도 제어 구간의 폭을 확장시키고 최저 온도 제어 범위를 더욱 낮추는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명은 난방의 최저 온도를 낮추는 것에 의해 난방을 수행함에 있어 실내의 쾌적성을 더욱 향상시키는 효과를 가진다.
또한, 본원 발명은 온도 제어 구간의 폭을 확장시킴은 물론 스위칭모듈의 개수로 분할된 각각의 듀티제어 구간(온도 제어 구간)에 대하여 하나의 스위칭모듈만을 듀티제어하여 온도를 조절하게 되므로 미소한 온도차의 온도 조절을 가능하게 하는 효과를 제공한다. 즉, 본 발명은 온도 조절에 있어서 제어성을 현저히 향상시키게 된다.
또한, 본원 발명은 최소발열량이 줄어들어, 낮은 온도에서 불필요한 사이클링을 감소시키게 되어, 불필요한 전력 소모를 줄이는 효과를 제공한다.
또한, 복수개의 IGBT를 순차적으로 제어하여 리플전류를 줄임으로써, 고전압 배터리의 수명을 향상시킬 수 있다.
도 1은 전기자동차에 적용되는 이러한 종래기술의 PWM제어방식의 PTC히터장치(10)의 개략적인 구성을 나타내는 회로도,
도 2는 상술한 구성을 가지는 종래기술의 PTC히터장치(10)에서의 온도제어를 위한 듀티제어를 나타내는 그래프,
도 3은 IGBT 1개의 리플전류를 나타내는 그래프,
도 4는 IGBT N개를 동시 제어할 때의 리플전류를 나타내는 그래프,
도 5는 본 발명의 전기자동차용 전열히터 장치의 일 실시 예에 따르는 PTC히터장치(100)의 개략적인 구성도,
도 6은 분할된 듀티제어 구간에 따른 도 5의 PTC히터장치(100)에서의 온도제어를 위한 듀티제어를 나타내는 그래프,
도 7은 IGBT 3개를 동시에 듀티 제어하는 종래와 IGBT 3개를 순차적으로 듀티 제어하는 본발명을 나타내는 그래프,
도 8은 고전압 배터리(전원공급부)가 주행 모터 및 PTC히터에 전력을 공급하는 경우를 나타내는 도면,
도 9는 본 발명의 전기자동차용 전열히터 장치 제어방법의 처리과정을 나타내는 순서도이다.
이하, 본 발명의 실시예를 나타내는 첨부도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 5는 전기자동차에 구성되는 본 발명의 전기자동차용 전열히터 장치의 일 실시예에 따르는 PTC히터장치(100)의 개략적인 구성도이고, 도 6은 분할된 듀티제어 구간에 따른 도 5의 PTC히터장치(100)에서의 온도제어를 위한 듀티제어를 나타내는 그래프이다.
도 5의 설명에서 도 1의 구성과 동일한 기능을 수행하는 구성 요소에 대하여는 도 1과 동일한 도면 부호를 사용하여 설명한다.
도 5와 같이 PTC히터장치(100)는 전기자동차에 설치되는 전원공급부(미도시)와, 전기자동차 내부의 냉난방 및 송풍을 제어하는 공조기제어부(11)와, 공조기제어부(11)의 난방 제어 명령에 따라 PTC히터(17)로 전력을 공급하는 고전압 스위칭부(13)의 듀티제어 구간을 스위칭부(13)를 구성하는 스위칭모듈(13a ~ 13c)의 개수로 나눈 구간으로 분할하여 제어하는 PTC마이콤(120)과, PTC마이콤(12)의 스위칭 제어 명령에 따라 스위칭되어 상기 전원공급부의 전력을 PTC히터(17)로 공급하는 스위칭부(13)와, 스위칭부(13)의 스위칭에 의해 공급되는 전력에 의해 정온 발열을 수행하는 PTC히터(17)를 포함하여 구성된다.
상술한 종래기술의 PTC히터장치(100)에서 상기 스위칭부(13)는 고전압 스위칭소자인 IGBT로 구성되며, IGBT의 소비 전류 허용치의 제한에 의해 최대 출력 부하에 따라 다수의 IGBT가 적용된다. 도 5의 경우에는 도 1과 동일하게 최대 6kW급 PTC히터의 구동을 위하여 3개의 2kW급 IGBT가 제 1 내지 제 3 스위칭모듈(13a~13c)로 분리 구성된 것을 예로 하여 도시하였다.
상기 PTC마이콤(120)은 본 발명의 스위치 제어부의 일 실시예로서, PWM 제어신호를 스위칭부(13)에 구성된 본 발명의 스위칭모듈(13a~13c)의 일 예인 IGBT의 게이트단자에 인가하여 출력 전력을 제어하도록 구성된다. 또한, 상기 PTC마이콤(120)은 도 6과 같이 전체 듀티제어 구간을 스위칭모듈(13a~13c)인 IGBT의 개수로 분할하여 듀티제어를 수행하게 된다. 이 과정에서 PTC히터(17)의 목표 발열 온도에 따라 하나의 스위칭모듈(13a~13c)에 의한 듀티제어에 의해 온도제어가 가능한 경우에는 하나의 스위칭모듈(13a~13c)에 대한 듀티제어를 수행하여 온도 제어를 수행하게 된다. 이러한 온도 제어의 수행과정에서 PTC히터(17)의 발열량이 하나의 스위칭모듈(13a~13c)을 듀티제어하는 범위를 초과하는 경우에는 기존의 듀티제어가 수행되는 스위칭모듈(13a~13c 중 구동 중인 스위칭모듈)은 포화상태(Full ON)로 구동시킨 후 새로운 하나의 스위칭모듈(13a~13c 중 구동하지 않는 스위칭모듈)을 구동시켜 듀티제어를 수행하게 된다. 이때 온도 제어 범위가 다수의 스위칭모듈(13a~13c 중 선택된 복수 개)의 허용치 전류를 요구하는 경우에는 다수의 스위칭모듈(13a~13c)을 구동시킨다. 그리고 하나의 스위칭모듈을 제외한 다른 스위칭모듈들은 포화상태로 구동시키고, 해당 온도 범위 내에서의 온도 조절을 위하여 하나의 스위칭모듈에 대하여는 듀티제어를 수행하도록 구성된다.
도 7은 IGBT 3개를 동시에 듀티 제어하는 종래와 IGBT 3개를 순차적으로 듀티 제어하는 본발명을 나타내는 그래프로서, 보는 바와 같이, 종래는 목표 발열 온도에 따라 3개의 IGBT를 동시에 듀티 제어함에 따라 종래기술에 기재된 문제점이 있지만, 본발명은 목표 발열 온도에 따라 3개의 IGBT를 순차적으로 듀티 제어함에 따라 최소발열량이 줄어들어 PTC히터(17)의 제어 가능한 구간이 증대되고, 이로인해 낮은 온도에서 불필요한 사이클링을 감소되어 불필요한 전력 소모를 줄일 수 있다.
한편, 도 7은, 목표 발열 온도에 따른 필요 발열량이 하나의 IGBT 발열량을 초과한 경우로서, 하나의 IGBT는 포화상태로 구동시키고 다른 하나의 IGBT만 듀티 제어하는 경우를 나타낸 것이다.
상기 스위칭부(13)는 PTC히터(17)의 설정된 출력 부하를 출력하는 전류를 공급할 수 있도록 다수의 IGBT인 스위칭모듈(13a~13c)을 포함하여 구성된다. 상기 각각의 IGBT는 컬렉터는 전원공급부(미도시)에 접속되고, 에미터는 PTC히터(17)에 접속되며, 게이트단자는 PTC마이콤(120)에 접속되도록 구성된다.
상기 PTC히터(17)는 본 발명의 발열부의 일 실시예로서 티탄산 바륨계 등의 온도에 따라 저항이 가변되어 정온 발열특성을 가지는 반도체 소자로 제작되어 전원이 인가되는 경우 온도에 따라 저항이 가변되어 발열량을 일정하게 유지하는 정온 발열을 수행하도록 구성된다. 이러한 PTC히터(17)는 단시간 동안 전류가 흐르게 되면 전기 저항이 커져서 전류가 흐르지 않게 되므로 안정적인 발열 소자로 많은 분야에 적용되고 있다.
상기 전원공급부는, 상기 전기자동차를 구동하는 고전압 배터리이며, 또한, 상기 PTC히터(17)는 전기자동차에서 보조 난방열원이 아닌 주 난방열원으로서, 전기자동차를 직접 구동하는 상기 고전압 배터리로부터 전원을 인가받아 작동하게 된다.
도 8을 참조하면, 상기 전원공급부인 고전압 배터리는, 전기자동차의 주행 모터와 상기 PTC히터(17)에 직접 전력을 공급하게 된다.
도 9는 본 발명의 전기자동차용 전열히터 장치 제어방법의 처리과정을 나타내는 순서도이다.
도 5 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 전기자동차용 전열히터 장치의 구동 과정 및 전열히터 장치 제어방법의 처리과정을 설명한다.
전기자동차의 PTC히터장치(100)를 구동시켜 난방을 수행하고자 사용자가 공조기를 구동시키면 공조기제어부(11)는 PTC마이콤(120)으로 기 설정된 온도 값에 따른 PTC히터(17)의 구동 명령을 출력하는 것에 의해 PTC히터장치(100)를 구동시킨다(S10: PTC히터장치 구동과정)
PTC마이콤(120)은 공조기제어부(11)로부터 입력되는 구동 명령에 의한 설정 온도를 위해 공급되는 전류 값이 하나의 IGBT의 최대 허용 전류 값을 초과하는지를 판단하여, 초과하지 않는 경우 초기듀티제어과정(S30)으로 판단하고, 초과하는 경우에는 포화듀티제어과정(S40)으로 판단하는 듀티제어판단과정(S20)을 수행한다.
듀티제어판단과정(S20)의 판단결과 초기듀티제어과정(S30)으로 판단되는 경우에는, 도 6의 Dmin ~ 1/3 구간의 듀티제어 수행을 위해 하나의 IGBT로 구성되는 스위칭모듈(제 1 스위칭모듈(13a~13c)로 함)의 게이트단자에 PWM제어 신호를 인가하여 PTC히터(17)로 전력을 공급하는 것에 의해 PTC히터(17)를 발열시켜 난방을 수행하는 초기듀티제어과정(S30)을 수행한다. 여기서 초기듀티제어과정(S30)이라 함은 하나의 IGBT 스위칭모듈(13a~13c)에 대한 듀티제어를 수행하는 것을 의미한다.
이와 달리, 상기 듀티제어판단과정(S20)의 판단결과 설정 온도를 위한 전류 값이 하나의 IGBT 스위칭모듈(13a~13c 중 하나)의 최대 허용 전류 값을 초과하는 포화듀티제어과정(S40)으로 판단되는 경우에는, 설정된 온도를 위한 발열을 위해 PTC히터(17)로 공급되는 전류 값을 계산한다. 이 후 계산된 전류 값을 포함하는 최대 허용치 전류 용량을 가지는 개수의 스위칭모듈(13a~13c)을 구동시킨다. 이 후 하나의 스위칭모듈은 듀티제어를 수행하고 이외의 스위칭모듈(13a~13c)은 포화상태제어를 수행하는 포화듀티제어과정(S40)을 수행한다. 여기서 포화듀티제어과정(S40)은 복수의 IGBT 스위칭모듈(13a~13c)을 구동시킨 후 하나의 스위칭모듈(13a~13c)은 듀티제어를 수행하고, 이외의 스위칭모듈(13a~13c)은 포화 듀티제어 상태를 유지하는 제어 과정을 말한다.
포화듀티제어과정(S40)의 수행 중 PTC마이콤(120)은 공조기제어부(11)로부터 설정온도 변경 신호가 입력되는지를 판단하여, 설정온도 변경 신호가 입력된 경우에는 온도증가포화듀티제어과정(S60) 또는 온도감소포화듀티제어과정(S70) 수행 명령인지를 판단하여 해당 과정을 수행하도록 하고, 입력되지 않은 경우에는 현재제어상태유지로 판단하여 현재의 제어상태를 유지하는 현재제어상태유지과정(S100)을 수행하도록 하는 설정온도변경포화듀티제어판단과정(S50)을 수행한다.
설정온도변경포화듀티제어판단과정(S50)의 판단 결과 설정 온도가 현재의 상태보다 높은 경우에는 온도증가포화듀티제어과정(S60)을 수행하여 듀티제어가 수행되는 스위칭모듈(13a~13c 중 하나)의 듀티비를 증가시켜 PTC히터(17)의 발열량을 증가시킨다. 이 과정에서 PTC히터(17)로 공급되는 전류의 최대치가 현재 구동되는 전체 스위칭모듈(13a~13c)의 최대 전류 허용치를 초과하는 경우 현재 구동되는 전체 스위칭모듈(13a~13c)은 포화상태제어를 수행함과 동시에 하나의 스위칭모듈(13a~13c)을 새로이 구동시켜 듀티제어를 수행하는 온도증가포화듀티제어과정(S60)을 수행한다.
이와 달리, 설정온도변경포화듀티제어판단과정(S50)의 판단 결과 설정 온도가 현재의 상태보다 낮은 경우에는 온도감소포화듀티제어과정(S70)을 수행하여 듀티제어가 수행되는 스위칭모듈(13a~13c)의 듀티비를 감소시켜 PTC히터(17)의 발열량을 감소시킨다. 이 과정에서 PTC히터(17)로 공급되는 전류의 최대치가 현재 구동되는 전체 스위칭모듈(13a~13c)에서 하나를 제외한 개수의 스위칭모듈의 최대 전류 허용치보다 작은 경우 현재 듀티제어가 수행되는 스위칭모듈(13a~13c)을 오프시킨다. 이와 함께, 포화상태제어가 수행되는 스위칭모듈(13a~13c) 중 하나의 스위칭모듈(13a~13c)을 듀티제어하여 PTC히터(17)로 공급되는 전류를 감소시켜 온도를 낮추는 온도감소포화듀티제어과정(S70)을 수행한다.
이와 달리, 설정온도변경포화듀티제어판단과정(S50)에서 설정온도가 변경되지 않는 경우에는 S80과정으로 이동하여 현재 듀티제어 상태를 유지하는 현재제어상태유지과정(S80)을 수행한다.
또한, 상술한 PTC히터장치(100)의 구동 제어 과정 중 초기듀티제어과정(S30)은 S80과정으로 이동하여 현재제어상태를 지속적으로 유지하는 현재제어상태유지과정(S80)을 수행한다. 그리고 온도증가포화듀티제어과정(S60) 또는 온도감소포화듀티제어과정(S70)은 설정된 온도에 도달한 경우 S80과정으로 이동하여 현재 제어상태를 지속적으로 유지하는 현재제어상태유지과정(S80)을 수행한다.
현재제어상태유지과정(S80)의 수행 중에는 PTC마이콤(120)은 지속적으로 PTC히터제어(구동)종료 신호가 있는지를 판단하는 PTC히터제어종료판단과정(S90)을 수행한다. 이 과정에서 PTC히터제어 종료 명령이 입력되는 경우 처리과정을 종료한다.
이와 달리 PTC히터제어 종료 명령이 입력되지 않은 경우에는 PTC마이콤(120)은 설정온도변경명령이 입력되는지를 판단하는 설정온도변경명령판단과정(S100)을 수행한다.
설정온도변경명령판단과정(S100)에서 설정온도 변경 명령이 입력되는 경우에는 듀티제어판단과정(S20)로 복귀하여 처리과정을 반복 수행하고, 설정온도 변경 명령이 입력되지 않은 경우에는 현재제어상태유지과정(S80)으로 이동하여 처리과정을 반복 수행한다.
상술한 구성을 가지는 본 발명의 실시예에 따르는 PTC히터장치(100)와 PTC히터 제어방법은, 도 6에 도시된 바와 같이, 듀티제어구간을 스위칭모듈(13a~13c)의 개수에 대응하는 구간으로 분할하여 제어하는 것에 본 발명의 PTC히터 전력(N)의 제어 구간이 종래 기술에 의한 PTC 히터 전력(O)의 제어 범위보다 제어 온도 범위가 확장되며, 최저 제어 온도 또한 더 낮아지는 것을 알 수 있다.
최저 제어 온도의 저하는 낮은 온도에서 PTC히터(17)를 구동시키는 경우 빈번한 사이클링(cycling)의 발생 빈도를 현저히 낮출 수 있게 되며, 이로 인해 낮은 온도 제어에서 발생하는 빈번한 사이클링에 의한 전류소모를 줄일 수 있도록 한다.
상술한 PTC히터장치(100)의 구동과정 또는 본 발명의 PTC히터 제어방법의 처리과정은 본 발명을 명확히 하기 위한 실시예를 설명한 것으로서, 본 발명의 PTC히터 제어방법은 듀티제어구간을 분할한 후 초기듀티제어 또는 포화듀티제어를 수행하도록 구성되는 기술적 특징을 바탕으로 하여, 포화듀티제어과정(S40)의 이 후 설정온도변경과정(S100)을 수행하도록 하는 등의 다양한 변경된 처리과정을 가지도록 변형되어 실시될 수 있다.
상술한 본 발명의 실시예의 설명에서 3개의 IGBT를 3개의 듀티 제어 구간으로 나누어 제어하는 것에 의해 실내 온도를 낮추는 것을 설명하였다. 즉, 본 발명은 N개의 IGBT를 적용하는 경우 종래기술에 비해 최저온도를 1/N로 낮추는 효과를 제공하며, 이는 IGBT의 개수가 증가하더라도 항상 하나의 IGBT의 최저 출력에 의한 최저 온도를 가지도록 전기 자동차의 실내 난방을 제어할 수 있게 되는 것과 동일한 의미를 가진다.
또한, 본 발명이 전기자동차에 적용되는 PTC히터장치에 관한 것으로 하여 설명하였으나, 본 발명은 하이브리드 자동차 등의 모든 자동차 또는 자동차 이외에 적용되는 PTC히터장치에 모두 적용될 수 있다.
100: PTC히터장치, 11: 공조기제어부, 13: 스위칭부
13a~13c: 제 1 내지 제 3 스위칭모듈, 120: PTC마이콤, 17: PTC 히터

Claims (9)

  1. 전기자동차용 전열히터 장치에 있어서,
    상기 전기자동차에 설치되는 전원공급부;와,
    공조기제어부(11)의 제어 명령에 따라 스위칭부(13)를 제어하는 스위치 제어부;와,
    상기 스위치 제어부의 스위칭제어 신호에 따라 스위칭되어 발열부로 상기 전원공급부의 전력을 공급하는 스위칭부(13);와,
    상기 스위칭부(13)의 전력을 공급받아 발열하는 발열부;를 포함하며,
    상기 스위칭부(13)는 상기 발열부의 출력 부하에 대한 제어를 수행할 수 있도록 설정되는 복 수개의 스위칭모듈(13a~13c)을 포함하여 구성되고,
    상기 스위치 제어부는 목표 발열 온도에 따라 상기 하나 이상의 스위칭모듈(13a~13c 중 하나)을 순차적으로 구동시키고,
    상기 스위칭모듈(13a~13c)은 고전압 스위칭 소자인 IGBT로 구성되고,
    상기 스위치 제어부는 상기 IGBT의 개수에 따라 상기 발열부의 온도 제어 구간을 나눈 후,
    하나의 IGBT의 최대 허용치 전류용량을 초과하지 않는 전류에 의해 온도제어를 수행하는 경우에는 하나의 IGBT에 대한 듀티제어를 수행하고,
    두 개 이상의 IGBT의 전류 용량 범위 내의 전류에 의해 온도제어를 수행하는 경우에는 하나의 IGBT는 듀티제어를 수행하고 다른 IGBT는 포화구동상태를 유지하도록 구성되는 전기자동차용 전열히터 장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 스위치 제어부는,
    온도감소제어를 수행하는 경우에는 듀티제어가 수행되는 IGBT의 최저 듀티제어 값에 도달한 경우 듀티제어를 수행하는 IGBT를 오프시킨 후 이전의 포화구동상태를 유지하는 IGBT 중 하나의 IGBT를 듀티제어하는 것에 의해 온도를 낮추도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 전열히터 장치.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 스위치 제어부는,
    상기 IGBT의 게이트단자로 PWM제어신호를 인가하는 것에 의해 상기 스위칭부(13)의 온/오프를 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 전열히터 장치.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 전원공급부는,
    상기 전기자동차를 구동하는 고전압 배터리인 것을 특징으로 하는 전기자동차용 전열히터 장치.
  6. 복수의 스위칭모듈(13a~13c)로 이루어지는 스위칭부(13)를 구비하고, PTC히터(17)의 듀티제어 구간을 복수의 스위칭모듈에 대응하는 개수의 구간을 가지도록 분할하여 PTC히터의 발열을 제어하는 전기자동차용 전열히터 장치에 있어서,
    하나의 IGBT의 최대 허용치 전류용량을 초과하지 않는 전류에 의해 온도제어를 수행하는 경우에는 하나의 IGBT에 대한 듀티제어를 수행하는 초기듀티제어과정(S30);과,
    상기 듀티제어가 수행되는 과정에서 전력량이 복수의 듀티제어 구간에 걸친 듀티제어의 전력량 합의 값을 가지는 경우 상기 듀티제어 구간 폭에 대응하는 전력을 출력하도록, 하나의 스위칭소자는 듀티제어를 수행하고, 다른 스위칭소자들은 포화상태로 제어하는 포화듀티제어과정(S40);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 전열히터 장치 제어방법.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 포화듀티제어과정(S40)은,
    설정 온도가 복수의 스위칭모듈의 전류허용치 합계의 전류를 초과하는 경우 듀티제어 대상 스위칭모듈(13a~13c)은 포화구동상태를 유지하고, 다른 하나의 스위칭모듈(13a~13c)을 온 시킨 후 새로이 온된 스위칭모듈(13a~13c)에 대한 듀티제어를 수행하는 온도증가포화듀티제어과정(S60);을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 전열히터 장치 제어방법.
  8. 청구항 6에 있어서, 상기 포화듀티제어과정(S40)은,
    듀티별제어가 수행되는 스위칭모듈(13a~13c)이 해당 구간에서 최소 듀티제어 값에 의해 제어되는 상태에 도달한 경우 상기 듀티별제어가 수행되는 스위칭모듈(13a~13c)을 오프시킨 후 포화상태로 구동 중인 스위칭모듈(13a~13c) 중 하나의 스위칭모듈(13a~13c)에 대한 듀티제어를 수행하고 구동 중인 다른 스위칭모듈(13a~13c)들은 포화상태로 제어하며, 온도 감소에 따라 이러한 과정을 반복 수행하는 온도감소포화듀티제어과정(S70);을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 전열히터 장치 제어방법.
  9. 청구항 6에 있어서,
    초기에 PTC히터(17)의 설정온도의 전류치를 연산하여 연산된 전류치가 하나의 스위칭모듈(13a~13c)의 최대 전류 허용치를 초과하는 지를 판단하여 최대 전류 허용치를 초과하는 경우 포화듀티제어과정(S40)을 수행하고, 최대 전류 허용치를 초과하지 않는 경우 초기듀티제어과정(S30)을 수행하도록 하는 듀티제어판단과정(S20);을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 전열히터 장치 제어방법.
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