KR20110040271A - 전기자동차의 공기조화장치와 그 제어방법 - Google Patents

전기자동차의 공기조화장치와 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기자동차의 공기조화장치에 관한 것으로서, 인버터의 폐열을 실내난방용으로 이용할 수 있도록 구성됨으로써, 보다 효율적인 난방이 가능해지고, 특히 실내난방을 위한 배터리 전력의 소모량을 줄일 수 있어 주행거리와 연비를 향상시킬 수 있는 전기자동차의 공기조화장치에 관한 것이다. 또한 본 발명은 인버터의 냉각과 인버터를 이용한 난방, 공기정화기능을 모두 구현할 수 있는 전기자동차의 공기조화장치에 관한 것이다. 이를 위해, 공기를 송풍하는 블로워와; 상기 블로워에 의해 송풍되는 공기를 공급받을 수 있도록 설치된 인버터와; 상기 블로워에 의해 송풍되는 공기를 공급받아 정화 후 차량 실내로 공급하도록 설치된 공기정화장치와; 상기 블로워에 의해 송풍되는 공기를 상기 인버터와 공기정화장치로 배분하여 공급하도록 설치된 제2밸브와; 상기 인버터를 통과한 공기를 차량 실외로 배출하거나 상기 공기정화장치로 공급하도록 설치된 제3밸브;를 포함하고, 상기 인버터와 공기정화장치를 통과한 공기가 차량 실내로 공급되어 실내난방이 이루어지도록 구성된 전기자동차의 공기조화장치가 개시된다.
전기자동차, 인버터, 블로워, 공기조화장치, 보조열교환장치

Description

전기자동차의 공기조화장치와 그 제어방법{Air-conditioning system of electric vehicle and method for controlling the same}
본 발명은 전기자동차의 공기조화장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전기에너지를 사용하여 구동하는 전기자동차에서 효율적으로 실내난방이 수행되도록 하고, 특히 실내난방을 위한 배터리 전력의 소모량을 줄일 수 있어 주행거리와 연비를 향상시킬 수 있는 전기자동차의 공기조화장치에 관한 것이다.
오늘날 화석연료를 연료로 사용하는 가솔린 엔진과 디젤 엔진은 배기가스로 인한 환경오염, 이산화탄소로 인한 지구 온난화, 오존 생성 등으로 인한 호흡기 질환 유발 등과 같은 많은 문제점을 가지고 있다. 그리고, 지구상에 존재하는 화석연료는 한정되어 있기 때문에 언젠가는 고갈될 위기에 처해 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위하여 모터를 구동시켜 주행하는 순수 전기자동차(Electric Vehicle,EV)나, 엔진과 모터로 주행하는 하이브리드 자동차(Hybrid Electric Vehicle,HEV), 연료전지에서 생성되는 전력으로 모터를 구동시켜 주행하 는 연료전지 자동차(Fuel Cell Electric Vehicle,FCEV) 등의 전기자동차가 개발되어 왔다.
상기와 같은 전기자동차는 차량을 구동시키기 위한 모터와 더불어 모터에 전력을 공급하는 축전수단으로서 배터리를 포함하며, 또한 모터를 회전시키기 위한 인버터가 구비된다. 연료전지 자동차의 경우, 배터리와 같은 축전수단이 주동력원인 연료전지와 병렬로 연결되는 보조동력원으로 사용되며, 보조동력원으로 배터리 외에 수퍼캡(supercapacitor)이 구비된 연료전지 하이브리드 시스템도 개발되고 있다. 상기 인버터는 제어기에서 인가되는 제어신호에 따라 축전수단(또는 연료전지)에서 공급되는 전원을 상 변환시켜 모터를 구동시키게 된다.
한편, 전기자동차에는 실내난방을 위한 난방장치가 구비되고, 최근에는 공기정화장치를 갖추어 차량 실내공기를 쾌적하게 유지할 수 있도록 하고 있다.
전기자동차의 난방장치로서 배터리의 전력을 이용하는 히터장치가 사용되고 있는데, 이러한 히터장치의 예로서 PTC(Positive Temperature Coefficient) 히터를 들 수 있다. 상기 PTC 히터는 기존의 가솔린(또는 디젤) 차량에서도 차량의 난방 성능을 보완해주기 위한 보조난방장치로 사용되고 있다.
그러나, 전기에너지를 사용하여 구동하는 전기자동차에서 난방을 위해 히터장치(PTC 히터)를 사용하면 배터리의 전력을 소모하므로 차량의 주행거리가 짧아지는 문제가 발생하며, 연료전지 자동차의 경우도 실내난방을 위한 과도한 전력 소모가 연비 저하의 요인으로 작용하고 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 인버터의 폐열을 실내난방용으로 이용하도록 구성됨으로써, 보다 효율적으로 실내난방이 수행되도록 하고, 특히 실내난방을 위한 배터리 전력의 소모량을 줄일 수 있어 주행거리와 연비를 향상시킬 수 있는 전기자동차의 공기조화장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 전기자동차의 공기조화장치는, 공기를 송풍하는 블로워와; 상기 블로워에 의해 송풍되는 공기를 공급받을 수 있도록 설치된 인버터와; 상기 블로워에 의해 송풍되는 공기를 공급받아 정화 후 차량 실내로 공급하도록 설치된 공기정화장치와; 상기 블로워에 의해 송풍되는 공기를 상기 인버터와 공기정화장치로 배분하여 공급하도록 설치된 제2밸브와; 상기 인버터를 통과한 공기를 차량 실외로 배출하거나 상기 공기정화장치로 공급하도록 설치된 제3밸브;를 포함하고, 상기 인버터와 공기정화장치를 통과한 공기가 차량 실내로 공급되어 실내난방이 이루어지도록 구성된 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 공기정화장치에 의해 정화된 공기를 가열하여 차량 실내로 공급하도록 설치된 난방장치와; 상기 공기정화장치에 의해 정화된 공기를 상기 난방장치와 차량 실내로 배분하여 공급하도록 설치된 제4밸브;를 더 포함하고, 상기 인 버터에 의해 가열된 공기가 상기 난방장치에 의해 추가로 가열된 후 차량 실내에 공급될 수 있게 구성될 수 있다.
또한 상기 인버터 후단의 바이패스라인에서 분기되어 인버터를 냉각한 공기가 차량 실외로 배출되도록 하는 공기배출라인이 설치되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명은, 공기를 송풍하는 블로워가 구동되는 단계와; 인버터 온도가 미리 설정된 기준온도1 이상의 고온 상태로 상승하게 되면, 상기 블로워에 의해 송풍되는 공기를 인버터로 공급하여 인버터를 냉각시키는 단계와; 실내온도가 사용자가 설정한 요구온도보다 낮은 경우, 상기 인버터를 통과한 가열된 공기를 공기정화장치를 통해 차량 실내로 공급하여 실내난방이 이루어지도록 하는 단계;를 포함하는 전기자동차 공기조화장치의 제어방법을 제공한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 전기자동차의 공기조화장치 및 그 제어방법에 의하면, 인버터의 폐열을 실내난방용으로 이용할 수 있게 됨으로써, 보다 효율적인 난방이 가능해지고, 특히 실내난방을 위한 배터리 전력의 소모량을 줄일 수 있어 주행거리와 연비를 향상시키는 장점이 있게 된다.
또한 차량에서 중량과 원가를 많이 차지하고 있는 블로워를 하나만 구비하고도 인버터의 냉각과 인버터를 이용한 난방, 공기정화기능을 모두 구현할 수 있으며, 부품수 축소 및 중량 저감, 원가 절감의 효과를 기대할 수 있게 된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 전기에너지를 사용하여 구동하는 전기자동차에서 인버터에서 발생하는 열을 이용하여 차량 실내난방을 수행하는 전기자동차의 공기조화장치에 특징이 있는 것으로, PTC 히터나 기타 차량에 탑재될 수 있는 히터장치, 또는 전기에너지를 열에너지로 변환하는 보조열교환장치를 사용하는 전기자동차에 유용하게 적용될 수 있는 것이다.
첨부한 도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기자동차용 공기조화장치를 도시한 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 공기조화장치를 제어하기 위한 구성을 도시한 블록도이다.
도시된 바와 같이, 차량의 외부공기와 실내공기를 송풍하는 블로워(10)가 구비되고, 또한 상기 블로워(10)에 의해 송풍되는 공기를 정화하여 차량 실내로 공급하는 공기정화장치(20)가 구비된다.
또한 공기정화장치(20)를 통과하여 정화된 공기를 가열하여 차량 실내로 공급하는 난방장치(30)가 구비된다. 상기 난방장치(30)는 배터리(도시하지 않음)의 전력을 인가받아 작동하는 PTC 히터나 기타 차량에 탑재될 수 있는 히터장치, 또는 전기에너지를 열에너지로 변환하는 보조열교환장치가 될 수 있다.
또한 모터(도시하지 않음)를 회전시키기 위한 인버터(40)가 구비된다.
본 발명의 공기조화장치에서 공기가 흐르게 되는 공기라인(덕트 등으로 구성될 수 있음)으로는, 차량 실외의 외부공기가 유입되는 제1공기유입라인(1)과, 차량 실내를 순환한 실내공기가 유입되는 제2공기유입라인(2)이 구비되고, 상기 제1공기유입라인(1)과 제2공기유입라인(2)은 공통라인, 즉 입구라인(3)을 통해 블로워(10) 입구로 연결된다.
또한 블로워(10)에서 송풍되는 공기를 차량 실내로 공급하기 위한 공기공급라인(4)이 구비되고, 상기 공기공급라인(4)의 도중에 공기정화장치(20)가 설치되어, 블로워(10)에 의해 송풍되는 공기가 공기정화장치(20)를 통과하여 정화된 뒤 차량 실내로 최종 공급되도록 되어 있다.
그리고, 공기정화장치(20)를 통과하여 정화된 공기가 난방장치(30)를 통과한 뒤 차량 실내로 최종 공급될 수 있도록 상기 공기정화장치(20) 후단의 공기공급라인(4)에서 분기된 공기히팅라인(5)이 구비된다.
상기 공기히팅라인(5)은 공기정화장치(20)를 통과하여 정화된 공기가 차량 실내로 최종 공급되도록 차량 실내 측으로 연결되며, 공기히팅라인(5)의 도중에 난방장치(30)가 설치된다. 이로써 공기정화장치(20)를 거쳐 공기히팅라인(5)으로 공급된 공기가 난방장치(30)를 통과하면서 히팅된 뒤 차량 실내로 최종 토출되어 차량의 실내난방이 이루어지게 된다.
또한 상기 블로워(10)에 의해 송풍되는 공기가 인버터(40)를 통과하도록 공기정화장치(20) 전단의 공기공급라인(4)에서 분기된 바이패스라인(6)이 인버터(40)를 거쳐 공기정화장치(20)로 연결되는 바, 블로워(10)에 의해 송풍되어 바이패스라 인(6)으로 공급되는 공기가 바이패스라인을 따라 흐르면서 인버터(40)를 통과한 뒤 공기정화장치(20)로 공급되도록 되어 있다.
여기서, 바이패스라인(6)을 따라 흐르면서 인버터(40)를 통과하는 공기가 인버터에서 발생하는 열을 흡수하여 온도가 상승할 수 있도록 바이패스라인를 형성하는 덕트 및 인버터 주변의 공기통로가 구성된다.
또한 인버터(40) 후단의 바이패스라인(6)에서 분기된 공기배출라인(7)이 구비되며, 이로써 바이패스라인(6)으로 유입된 후 인버터(40)를 통과한 공기가 필요에 따라 공기배출라인(7)을 통해 차량 실외로 배출될 수 있도록 되어 있다.
한편, 공기의 흐름방향을 결정하고 공기의 경로를 설정하는 다수의 밸브들이 설치되는데, 우선 제1공기유입라인(1)과 제2공기유입라인(2)이 입구라인(3)과 연결되는 지점에는 외부공기 및 내부공기가 블로워(10)로 선택 공급되도록 하기 위한 제1밸브(71)가 설치된다.
상기 공기공급라인(4)에서 바이패스라인(6)이 분기되는 위치에는 블로워(10)에 의해 공급되는 공기를 공기정화장치(20)와 인버터(40)로 배분하여 공급하도록 설치된 제2밸브(72)가 구비되며, 바이패스라인(6)에서 공기배출라인(7)이 분기되는 위치에는 인버터(40)를 통과한 공기를 공기정화장치(20)로 공급하거나 차량 실외로 배출하도록 설치된 제3밸브(73)가 구비된다.
또한 공기공급라인(4)에서 공기히팅라인(5)이 분기되는 위치에는 공기정화장치(20)를 통과한 공기를 난방장치(30)와 차량 실내로 배분하여 공급하도록 설치된 제4밸브(74)가 구비된다.
상기 제1밸브(71), 제2밸브(72), 제3밸브(73) 및 제4밸브(74)는 모두 제어기가 출력하는 제어신호에 따라 동작이 제어되는 전자식 밸브로서, 내부유로의 개도상태에 따라 공기의 흐름방향이 결정되는 바, 후술하는 바와 같이 제어기의 제어에 따라 전체 공기라인에서 공기의 경로가 설정될 수 있게 된다. 물론, 상기의 각 밸브는 선택된 방향으로만 공기가 흐르도록 하는 절환밸브의 역할을 수행함과 더불어 각 방향의 개도량 조절을 통해 공기량을 적절히 분배하는 분배밸브의 역할을 수행하도록 제어될 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 공기조화장치에서 제어기(60)는 도 2에 나타낸 바와 같이 블로워(10)와 공기정화장치(20), 난방장치(30)의 구동을 제어하며, 또한 실내온도센서(52)와 외기온센서(53), 인버터온도센서(54)의 신호를 입력받아 이를 기초로 하여 각 밸브(71,72,73,74)의 구동을 제어하게 된다.
제어기(60)는 기본적으로 사용자가 조작하는 스위치(51)로부터 공기정화장치(20)를 작동시키는 신호가 입력되면 공기정화장치(20)와 함께 블로워(10)를 구동시키고, 공기정화장치(20)의 작동을 중지시키기 위한 신호가 입력되면 공기정화장치(20)와 블로워(10)의 작동을 중지시킨다.
또한 제어기(60)는 실내온도센서(52)의 검출값인 차량 실내온도, 외기온센서(53)의 검출값인 외기온도, 인버터온도센서(54)의 검출값인 인버터 온도를 기초로 하여 블로워의 온/오프, 블로워의 회전속도(송풍량), 각 밸브의 개도상태를 제어하도록 구비될 수 있으며, 또한 사용자의 스위치(51) 조작에 따라 공기정화장치(20) 및 블로워(10)의 구동을 제어하도록 구비될 수 있다.
상기 블로워(10)가 작동하는 조건에서 제어기가 본 발명의 공기조화장치를 제어하는 예를 살펴보면 다음과 같다.
인버터 온도가 미리 설정된 기준온도1 이상의 고온 상태로 상승하게 되면, 제어기(60)는 각 밸브(71,72,73)를 제어하여 블로워(10)에 의해 공급되는 차량 외부공기와 내부공기의 대부분을 상기 인버터(40)로 공급하여 인버터의 냉각에 중점을 둔다.
이때, 인버터(40)를 통과한 공기는 인버터에서 발생한 열을 흡수하였기 때문에 차량 실내의 일반적인 공기보다 상대적으로 온도가 높다. 따라서, 제어기(60)는 실내온도가 사용자가 설정한 요구온도보다 낮은 경우 난방이 필요한 상태로 판단하여, 인버터(40)를 통과한 따뜻한 공기를 공기정화장치(20)로 보내는 바, 공기정화장치(20)를 통과하여 정화된 따뜻한 공기를 차량 실내로 공급하여 실내난방이 이루어지도록 한다.
이 과정에서 제어기(60)는 현재의 차량 실내온도 및 사용자 요구온도를 기초로 하여 추가적인 열원이 필요한 것으로 판단되면, 난방장치(30)를 작동시킴과 동시에 제4밸브(74)를 제어하여 공기정화장치(10)를 통과한 공기를 난방장치(30)를 통과하도록 공급하여, 난방장치(30)에서 추가적으로 가열된 공기를 차량 실내로 공급한다. 여기서, 제어기(60)는 차량 실내온도가 일정시간 경과 후에도 사용자 요구온도에 도달하지 않으면 추가적인 열원이 필요한 것으로 판단할 수 있다.
반면, 인버터(40)가 상기 기준온도1 미만으로 고온 상태가 아닌 경우에는 제어기(60)는 각 밸브(71,72)를 제어하여 블로워(10)에 의해 공급되는 공기의 대부분 을 바로 공기정화장치(20)로 공급하고, 공기정화장치(20)는 공지된 기술과 같이 공급되는 공기에 포함된 먼지와 악취를 활성탄과 이온발생기 등으로 제거하여 차량 실내로 공급한다.
블로워(10)에 의해 공급되는 공기가 인버터(40)를 거치지 않고 공기정화장치(20)로 공급되는 과정에서, 차량의 실내온도가 사용자가 설정한 요구온도보다 낮아 난방이 필요한 상태로 판단되면, 공기정화장치(20)를 통과한 공기를 난방장치(30)로 공급하고, 상기 난방장치(30)에 의해 가열된 공기를 차량 실내로 공급하여 실내난방이 이루어지도록 한다.
또한 제어기(60)는 차량의 실내온도로부터 차량 실내에 추가적인 난방이 필요하지 않음을 판단하게 되면, 제3밸브(73)를 제어하여 인버터(40)를 통과한 공기를 공기정화장치(20)로 공급하지 않고 공기배출라인(7)을 통해 차량 외부로 배출시킨다.
또한 제어기(60)는 주행조건에 따라 인버터(40)가 미리 설정된 기준온도2 미만의 저온으로 가열이 되지 않은 상태를 인버터 온도로부터 판단하게 되면, 인버터(40)의 상태를 효율성이 높아지는 설정온도까지 올리기 위해 실내난방에 의해 승온된 실내공기를 송풍기(10)를 통해 인버터(40)로 공급하여 인버터 온도를 승온시킨다.
이와 같이 하여, 본 발명에 따른 공기조화장치는 차량에서 중량과 원가를 많이 차지하고 있는 블로워를 하나만 구비하고도 인버터의 냉각과 인버터를 이용한 난방, 공기정화기능을 모두 구현할 수 있으며, 부품수 축소 및 중량 저감, 원가 절 감의 효과를 기대할 수 있게 된다. 특히, 인버터의 폐열을 실내난방용으로 이용할 수 있게 됨으로써 보다 효율적인 난방이 가능하고, 실내난방을 위한 배터리 전력의 소모량을 줄일 수 있어 주행거리 및 연비 향상의 장점이 있게 된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기자동차용 공기조화장치를 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 공기조화장치를 제어하기 위한 구성을 도시한 블록도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 블로워 20 : 공기정화장치
30 : 난방장치 40 : 인버터
60 : 제어기 71 : 제1밸브
72 : 제2밸브 73 : 제3밸브
74 : 제4밸브

Claims (8)

  1. 공기를 송풍하는 블로워(10)와;
    상기 블로워(10)에 의해 송풍되는 공기를 공급받을 수 있도록 설치된 인버터(40)와;
    상기 블로워(10)에 의해 송풍되는 공기를 공급받아 정화 후 차량 실내로 공급하도록 설치된 공기정화장치(20)와;
    상기 블로워(10)에 의해 송풍되는 공기를 상기 인버터(40)와 공기정화장치(20)로 배분하여 공급하도록 설치된 제2밸브(72)와;
    상기 인버터(40)를 통과한 공기를 차량 실외로 배출하거나 상기 공기정화장치(20)로 공급하도록 설치된 제3밸브(73);
    를 포함하고, 상기 인버터(40)와 공기정화장치(20)를 통과한 공기가 차량 실내로 공급되어 실내난방이 이루어지도록 구성된 것을 특징으로 하는 전기자동차의 공기조화장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기정화장치(20)에 의해 정화된 공기를 가열하여 차량 실내로 공급하도록 설치된 난방장치(30)와;
    상기 공기정화장치(20)에 의해 정화된 공기를 상기 난방장치(30)와 차량 실 내로 배분하여 공급하도록 설치된 제4밸브(74);
    를 더 포함하고, 상기 인버터(40)에 의해 가열된 공기가 상기 난방장치(30)에 의해 추가로 가열된 후 차량 실내에 공급될 수 있게 구성된 것을 특징으로 하는 전기자동차의 공기조화장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 인버터(40)를 통과한 공기가 공기정화장치(20)로 공급되도록 상기 블로워(10)에 의해 송풍되는 공기가 공급되는 공기공급라인(4)에서 분기되어 인버터(40)를 거쳐 공기정화장치(20)로 연결되는 바이패스라인(6)이 설치되는 특징으로 하는 전기자동차의 공기조화장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 인버터(40) 후단의 바이패스라인(6)에서 분기되어 인버터(40)를 냉각한 공기가 차량 실외로 배출되도록 하는 공기배출라인(7)이 설치되는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 공기조화장치.
  5. 공기를 송풍하는 블로워가 구동되는 단계와;
    인버터 온도가 미리 설정된 기준온도1 이상의 고온 상태로 상승하게 되면, 상기 블로워에 의해 송풍되는 공기를 인버터로 공급하여 인버터를 냉각시키는 단계와;
    실내온도가 사용자가 설정한 요구온도보다 낮은 경우, 상기 인버터를 통과한 가열된 공기를 공기정화장치를 통해 차량 실내로 공급하여 실내난방이 이루어지도록 하는 단계;
    를 포함하는 전기자동차 공기조화장치의 제어방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 실내난방이 이루어지는 동안 상기 공기정화장치를 통과한 공기를 난방장치를 통과하도록 공급하여 상기 난방장치에서 추가적으로 가열된 공기를 차량 실내로 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 공기조화장치의 제어방법.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 실내온도로부터 난방이 필요하지 않음을 판단하게 되면, 인버터를 통과한 가열된 공기를 공기배출라인을 통해 차량 외부로 배출시키는 것을 특징으로 하는 전기자동차 공기조화장치의 제어방법.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 인버터 온도로부터 인버터가 미리 설정된 기준온도2 미만의 가열되지 않은 상태를 판단하게 되면, 실내공기를 송풍기를 통해 인버터로 공급하여 인버터 온도를 승온시키는 단계를 더 포함하는 특징으로 하는 전기자동차 공기조화장치의 제어방법.
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