KR20110072325A - 차량 공조용 전동 압축기 및 그 소비전력산출방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 정밀한 소비전력 측정을 위하여 열전쌍을 구비하는 차량 공조용 전동 압축기와 그 소비전력 산출방법에 관한 것이다. 본 발명은 직류 전원을 교류 전원으로 전환하는 인버터 회로(10)와, 상기 인버터 회로(10)로부터 교류 전원을 공급받아 구동되는 전동 모터(20), 상기 전동 모터로부터 구동력을 전달받아 동작하는 압축기를 포함하여 구성되는 차량 공조용 전동 압축기에서 상기 인버터 회로(10)가 상기 전동 모터(20)로 공급되는 교류 전원의 소비전력을 계측하기 위한 열전쌍(16a)과, 상기 열전쌍의 두 금속 간 전압을 측정하는 열전쌍전압측정수단을 포함하는 소비전력측정수단(16)과 상기 소비전력측정수단(16)으로부터 측정된 전압을 수신하여, 수신된 전압으로부터 2ω주파수 전압을 연산하여 상기 전동 압축기의 소비전력을 산출하는 제어수단(19)을 포함하여 구성된다. 이와 같은 본 발명에 의하면, 차량 공조용 전동 압축기의 소비전력을 열전쌍을 이용하여 측정함에 따라 온도 등 외부 환경에 의한 오류를 방지할 수 있어, 소비전력을 보다 정밀하게 산출할 수 있고 내구성 있는 열전쌍을 사용함으로써 신뢰성 있는 측정결과를 얻을 수 있다는 장점이 있다.

전동 압축기, 인버터, 열전쌍, 소비전력

Description

차량 공조용 전동 압축기 및 그 소비전력산출방법{ELTROMOTIVE COMPRESSOR FOR VEHICLE AND METHOD FOR CALCULATING CONSUMED POWER THEREOF}

본 발명은 전동 압축기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 보다 정밀한 소비전력 측정을 위하여 열전쌍을 구비하는 차량 공조용 전동 압축기와 그 소비전력 산출방법에 관한 것이다.

최근 환경 문제가 심각하게 대두됨에 따라 친환경 자동차에 대한 수요가 늘어나고 있으며, 그에 따라 하이브리드 자동차나 전동 자동차와 같이 배터리 전원으로 구동되는 자동차에 대한 연구가 늘어나고 있다. 이와 같이 배터리 전원을 동력으로 하여 구동되는 자동차에서는 공조장치의 압축기를 위한 구동력도 배터리 전원을 이용한다. 이와 같은 전동 압축기는 차량의 배터리 직류 전원을 이용하여 구동되기 때문에 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터를 함께 구비한다.

이와 같은 전동 압축기의 소비전력은 압축기 구동상태에 따라 끊임없이 변하므로, 배터리 전원을 차량 내에 필요한 다른 부하에 효율적으로 전력을 배분하기 위해서는 전동 압축기의 소비전력을 정밀하게 측정하는 것이 요구된다. 이를 위하여 전동 압축기의 소비전력 계측에 있어서 중요한 요소인 소비전류의 계측정밀성을 향상시켜야 한다.

종래에는 이와 같이 전동 압축기의 소비전류를 측정하기 위하여 다양한 방법을 사용하였다. 우선 인버터에서 전동 압축기 측의 3상 코일로 입력되는 전류를 측정하기 위하여 인버터와 3상 코일 측에 홀센서(Hall Sensor)를 설치하여 전류의 세기를 측정하거나, OP-Amp와 저항을 이용한 전류 측정방법을 이용하였다.

홀센서는 전류의 방향에 수직으로 자장이 인가되면 출력이 변화되는 전류 자기 효과를 갖는 홀 소자를 이용한 센서로서 축의 회전방향이나 회전각도, 회전수를 확인하는데 많이 사용되는 반도체형 센서이다. 이와 같은 홀센서를 고정자측에 설치되는 3상 코일과 회전자 측에 설치되는 영구 자석을 포함하여 구성되는 전동 압축기의 모터에 설치하여 모터 축의 회전방향과 회전각도, 회전수 등을 확인하는 방법이 소비전류 측정을 위하여 사용되었다.

또한 OP-Amp와 저항을 이용한 전류 측정방법은 상기 3상 코일 측으로 입력되는 전류를 측정하기 위하여 수동소자인 저항을 설치하여 옴의 법칙을 이용하여 전류의 값을 분석함으로써 가능하다.

그러나 홀센서를 이용한 방법은 정확성이 떨어지고, 센서 주변의 자기적 환경에 민감하다는 단점이 있고, OP-Amp와 저항을 이용한 방법은, 저항의 내구성이 문제될 뿐아니라, 저항이 열에 민감하여 저항 주변의 온도에 따라 측정값에 오차가 발생할 수 있다는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 차량 공조용 전동 압축기의 소비전력을 보다 정밀하게 측정할 수 있는 기술적 수단을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 차량 공조용 전동 압축기의 소비전력을 측정하는 기술적 수단의 내구성을 향상시키는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 직류 전원을 교류 전원으로 전환하는 인버터와, 상기 인버터로부터 교류 전원을 공급받아 구동되는 전동 모터, 상기 전동 모터로부터 구동력을 전달받아 동작하는 압축기를 포함하여 구성되는 차량 공조용 전동 압축기에 있어서, 상기 인버터는, 상기 인버터로부터 상기 전동 모터로 공급되는 교류 전원의 소비전력을 계측하기 위한 열전쌍과, 상기 열전쌍의 두 금속 간 전압을 측정하는 열전쌍전압측정수단을 포함하는 소비전력측정수단과; 상기 소비전력측정수단으로부터 측정된 전압을 수신하여, 수신된 전압으로부터 2ω주파수 전압을 연산하여 상기 전동 압축기의 소비전력을 산출하는 제어수단을 포함하여 구성된다.

한편 본 발명은, 직류 전원을 교류 전원으로 전환하는 인버터와, 상기 인버터로부터 교류 전원을 공급받아 구동되는 전동 모터와, 상기 전동 모터로부터 구동력을 전달받아 동작하는 압축기, 그리고 상기 인버터와 전동 모터 사이에 구비되는 열전쌍을 포함하여 구성되는 차량 공조용 전동 압축기에 있어서, (A)상기 열전쌍의 두 금속 간의 전압을 측정하는 단계와; (B)측정된 전압을 고속 푸리에 변환하여 2ω주파수 전압을 연산하는 단계와; (C)연산된 2ω주파수 전압을 이용하여 2ω주파수 전력을 연산하는 단계; 그리고 (D)연산된 2ω주파수 전력에 직류 전력을 더하여 전동 압축기의 소비전력을 산출하는 단계를 포함하여 수행될 수도 있다.

여기서 상기 (C)단계는, 수학식

를 이용하여 이루어질 수 있고, 이때 P_{2 ω}는 2ω주파수 전력이고, V_{2 ω}는 2ω주파수 전압이며, S는 상기 열전쌍의 제베크 계수이고, α는 비례상수가 된다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 차량 공조용 전동 압축기와 그 소비전력산출방법에 의하면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.

즉, 차량 공조용 전동 압축기의 소비전력을 열전쌍을 이용하여 측정함에 따라 온도 등 외부 환경에 의한 오류를 방지할 수 있어, 소비전력을 보다 정밀하게 산출할 수 있다는 장점이 있다.

또한 본 발명에 의한 차량 공조용 전동 압축기 및 그 소비전력 산출방법에 의하면 내구성 있는 열전쌍을 사용함으로써 신뢰성 있는 측정결과를 얻을 수 있다는 장점이 있다.

이하에서는 상기한 바와 같은 본 발명에 의한 전동 압축기의 소비전류 측정 장치의 구체적인 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 전동 압축기용 인버터 회로의 구성을 개략적으로 도시한 블럭도이고, 도 2는 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 전동 압축기의 소비전류 측정 장치를 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 전동 압축기용 인버터 회로(10)는 우선 배터리(11)를 포함한다. 상기 배터리(11)는 자동차 공조장치의 전동 압축기의 전원으로서 사용되는 동시에 전동 자동차의 주행용 모터의 전원으로서 사용될 수도 있다.

상기 배터리(11) 전원의 전압은 다이오드(12)와 콘덴서(13)에 의하여 정류 및 평활된 후 트랜지스터 회로(18)로 입력된다. 상기 트랜지스터 회로(18)는 복수의 트랜지스터로 구성되어 입력된 직류 전압을 스위칭하여 펄스폭 변조의 3상 의사 정현파 전압으로 변환하여 전동 압축기(20)로 공급한다. 여기서 상기 전동 압축기(20)는 차량 공조장치용 압축기와 전동 모터가 결합된 장치이다.

상기 배터리(11)와 같은 자동차용 배터리는 전원 전압의 변동이 매우 크므로 전압검출수단(17)에 의해 직류전압을 항상 감시한다. 그리고 상기 전압검출수단(17)에서 측정된 전압은 제어수단(19)으로 입력된다. 그에 따라 상기 제어수단(19)이 제어신호를 발생시킬 때 상기 전압검출수단(17)에서 검출된 직류전압에 따라서 출력전압에 보정을 가하여 배터리 전원 전압이 변동되더라도 출력 전압에 영향을 미치지 않도록 제어한다. 또한 전류검출수단(15)이 구비되어 배터리(11)에서 출력되는 전류를 검출하고 검출된 전류값을 상기 제어수단(19)으로 제공한다. 검출된 전류값은 상기 제어장치(19)가 상기 전동 압축기(20)를 안정적으로 구동하기 위한 정보로서 사용될 수 있다.

상기 제어수단(19)은 각종 환경 조건에 따라 상기 전동 압축기(5)의 설정 주파수를 결정하고,결정된 설정 주파수에 따라 상기 전동 압축기(5)가 구동되도록 상기 트랜지스터 회로(18)를 스위칭하기 위한 신호를 상기 트랜지스터 회로(18)로 전달한다.

한편 상기 전동 압축기(20)로 입력되는 전류, 즉 상기 인버터 회로(10)의 출력 교류 전류를 측정하기 위한 소비전력측정수단(16)이 구비된다.

여기서 상기 소비전력측정수단(16)은 도 2에 도시된 바와 같이 열전쌍(16a)과 상기 열전쌍(16a)의 전압을 측정하는 열전쌍전압측정수단(미도시)을 포함할 수 있다. 이때 상기 열전쌍(16a)은 두 개의 서로 다른 금속을 붙여놓은 것으로 제베크 효과(Seebeck effect)에 의한 열기전력을 얻기 위한 장치이다. 두 금속의 온도가 달라지면 전류가 흐르므로 이를 이용하여 온도를 측정할 수 있다는 원리에 의한다.

상기 열전쌍(16a)의 노드 a를 도 1에 도시된 노드 a에 연결하고 상기 열전쌍(16a)의 노드 b를 도 1에 도시된 노드 b에 연결하면 도 2의 화살표와 같이 교류 전류 i가 흐른다.

이때 상기 열전쌍(16a)의 노드 c와 노드 d 사이에서 측정되는 전압을 고속 푸리어 변환(Fast Fourier Transform)하여 주파수를 분리한다. 즉, 상기 열전쌍(16a)의 노드 사이의 전압을 열전쌍전압측정수단에서 측정하여 이를 상기 제어수단(19)으로 보내면 상기 제어수단(19)이 고속 푸리어 변환하여 주파수 성분을 분리 한다.

즉,

(수학식 1)이고,

(수학식 2)이므로,

1ω 주파수의 교류 전류 i가 통과하는 라인에서 2ω주파수의 전력이 발생한다. 여기서 P는 상기 전동 압축기(20)의 소비전력이고, V는 상기 열전쌍(16a)에서 측정된 전압이며, P_DC는 직류 전력, P_{2 ω}는 2ω주파수 전력이다.

이때 발생하는 2ω주파수의 전력으로 인해 2ω 온도진동이 발생된다.

여기서

(수학식 3)이고,

(수학식 4)가 된다. 여기서 T는 온도진동, T_{2 ω}는 2ω온도진동을 의미한다.

위와 같은 식을 이용하여 상기 열전쌍(16a)을 이용하여 2ω 온도진동을 2ω 전압신호로 계측한다.

즉,

(수학식 5, 여기서 S는 제베크 계수)의 관계가 성립하고, 그에 따라 2ω주파수 전압만을 이용하여 2ω 주파수의 전력을 측정할 수 있기 때문에 다시 수학식 2를 이용하면, 절대값이 동일한 직류 전력을 구할 수 있으므로 상기 전동 압축기(20)의 소비전력의 측정이 가능하게 된다.

다시 말해서, 상기 제어 수단(19)에서 고속 푸리에 변환을 통해 2ω주파수 전압을 연산하면, 제베크 계수는 상기 열전쌍(16a)을 이루는 금속 물질의 고유 성질에 해당하고, 비례상수도 간단한 원리실험을 통해 산출될 수 있어 미리 상기 제어수단(19) 내에 저장할 수 있으므로 2ω주파수 전압만을 연산하면 2ω주파수 전력을 산출할 수 있다.

위와 같이 본 발명에서는 전동 압축기(20)의 소비전력을 측정하기 위하여 열전쌍(16a)을 상기 전동 압축기(20)의 입력 측에 연결하고 2ω주파수 전압신호를 이용하여 소비전력을 계측한다.

이와 같은 방식에 의하면 작동소자에서 발생하는 열로 인한 소비전력의 계측 정밀성 저하를 회피할 수 있다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

도 1은 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 전동 압축기용 인버터 회로의 구성을 개략적으로 도시한 블럭도.

도 2는 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 전동 압축기의 소비전류 측정 장치를 도시한 도면.

**도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명**

10: 인버터 회로 11: 배터리

12: 다이오드 13: 콘덴서

15: 전류검출수단 16: 소비전력측정수단

17: 전압검출수단 18: 트랜지스터 회로

20: 전동 압축기

Claims (3)

1. 직류 전원을 교류 전원으로 전환하는 인버터 회로(10)와, 상기 인버터 회로(10)로부터 교류 전원을 공급받아 구동되는 전동 모터(20), 상기 전동 모터로부터 구동력을 전달받아 동작하는 압축기를 포함하여 구성되는 차량 공조용 전동 압축기에 있어서,

   상기 인버터 회로(10)는,

   상기 인버터 회로(10)로부터 상기 전동 모터(20)로 공급되는 교류 전원의 소비전력을 계측하기 위한 열전쌍(16a)과, 상기 열전쌍의 두 금속 간 전압을 측정하는 열전쌍전압측정수단을 포함하는 소비전력측정수단(16)과;

   상기 소비전력측정수단(16)으로부터 측정된 전압을 수신하여, 수신된 전압으로부터 2ω주파수 전압을 연산하여 상기 전동 압축기의 소비전력을 산출하는 제어수단(19)을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 전동 압축기.
2. 직류 전원을 교류 전원으로 전환하는 인버터(10)와, 상기 인버터로부터 교류 전원을 공급받아 구동되는 전동 모터(20)와, 상기 전동 모터로부터 구동력을 전달받아 동작하는 압축기, 그리고 상기 인버터(10)와 전동 모터(20) 사이에 구비되는 열전쌍(16a)을 포함하여 구성되는 차량 공조용 전동 압축기에 있어서,

   (A)상기 열전쌍의 두 금속 간의 전압을 측정하는 단계와;

   (B)측정된 전압을 고속 푸리에 변환하여 2ω주파수 전압을 연산하는 단계와;

   (C)연산된 2ω주파수 전압을 이용하여 2ω주파수 전력을 연산하는 단계; 그리고

   (D)연산된 2ω주파수 전력에 직류 전력을 더하여 전동 압축기의 소비전력을 산출하는 단계를 포함하여 수행됨을 특징으로 하는 차량 공조용 전동 압축기의 소비전력 산출방법.
3. 제2항에 있어서,

   상기 (C)단계는,

   수학식

   

   를 이용하여 이루어지고,

   이때 P_{2 ω}는 2ω주파수 전력이고, V_{2 ω}는 2ω주파수 전압이며, S는 상기 열전쌍의 제베크 계수이고, α는 비례상수임을 특징으로 하는 차량 공조용 전동 압축기의 소비전력 산출방법.

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