KR20120091771A - 전기자동차용 공조장치 - Google Patents

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KR20120091771A
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Abstract

본 발명은 전기자동차용 공조장치에 관한 것으로서, "제상모드"로 제어되어 증발기가 컷 오프되더라도 배터리를 지속적으로 냉각시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 압축기와, 응축기와, 제 1팽창밸브와, 증발기와; 응축기를 통과한 저온의 냉매를 바이패스하는 바이패스유로와; 바이패스유로로 바이패스된 냉매를 감압 팽창시키는 제 2팽창밸브와; 제 2팽창밸브를 통과한 저온의 냉매와 열교환매체를 열교환시키는 냉각열교환기와; 냉각열교환기에서 열교환된 저온의 열교환매체를 상기 배터리로 순환시키는 배관과; 공조장치의 증발기 온도를 감지하는 증발기온도 감지수단 및; 증발기온도 감지수단에서 입력된 증발기의 온도가 미리 설정된 기준온도 이하일 시에 상기 증발기로 도입되는 냉매의 흐름은 차단하고, 냉각열교환기로 도입되는 냉매의 흐름은 허용하는 냉매흐름제어수단을 구비한다.

Description

전기자동차용 공조장치{AIR CONDITIONING SYSTEM FOR ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 전기자동차용 공조장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, "제상모드"로 제어되어 증발기가 컷 오프되더라도 배터리를 지속적으로 냉각시킬 수 있는 전기자동차용 공조장치에 관한 것이다.
전기자동차는, 전기를 공급하기 위한 배터리와, 배터리를 냉각시키기 위한 쿨링장치를 갖추고 있다. 특히, 배터리 쿨링장치는, 배터리의 수명과 성능에 직접적인 영향을 끼친다는 점에서 매우 중요하다.
배터리 쿨링장치의 일례로서, 공조장치의 냉매를 이용하는 기술이 있다.
이 기술은, 도 1에 도시된 바와 같이, 공조장치(1)의 팽창밸브(4)를 통과한 저온의 냉매를 바이패스하는 바이패스유로(5)와, 바이패스유로(5)상에 설치되는 냉각열교환기(9), 그리고 냉각열교환기(9)에서 발생된 냉기를 배터리(B)에 전달하는 냉기전달수단(10)을 포함한다.
특히, 냉기전달수단(10)은, 냉각열교환기(9)에 형성되는 열교환매체유로(12)와, 배터리(B)에 형성되는 냉매유로(14) 및, 냉각열교환기(9)의 열교환매체유로(12)와 배터리(B)의 냉매유로(14)를 폐회로 형태로 연결하는 배관(16)과, 배관(16)을 따라 순환하면서 냉각열교환기(9)의 냉기를 배터리(B)에 전달하는 열교환매체(18)를 포함한다.
이러한 구성의 배터리 쿨링장치는, 공조장치(1)의 냉매를 이용하여 배터리(B)를 냉각시키는 구조이므로, 배터리(B)의 냉각효율을 극대화시킬 수 있다. 따라서, 배터리(B)의 온도를 최적의 상태로 유지시킬 수 있고, 이로써, 배터리(B)의 수명을 연장시킬 수 있고 배터리(B)의 성능을 향상시킬 수 있다.
그런데, 이러한 종래의 배터리 쿨링장치는, 공조장치(1)의 증발기(20)에 아이싱(Icing)현상이 발생되어 압축기(22)가 컷 오프(Cut-Off)될 경우, 공조장치(1)의 냉각열교환기(9)도 작동을 멈춘다는 단점이 있으며, 이러한 단점 때문에 배터리(B)의 냉각작용도 정지된다는 문제점이 있다.
즉, 공조장치(1)는, 증발기(20)에 아이싱 현상이 발생될 경우, 이를 제거하기 위해 "제상모드"로 전환되면서 압축기(22)를 컷 오프시킨다. 그런데, 이러한 경우, 배터리(B)의 냉각을 위한 팽창밸브(7)와 냉각열교환기(9)의 작동도 정지되므로, 배터리(B)의 냉각작용도 정지된다는 단점이 있다.
그리고 이러한 단점 때문에, 증발기(20)의 아이싱이 제거될 동안에는, 배터리(B)가 과열될 우려가 있다는 문제점이 있으며, 이러한 문제점 때문에 배터리(B)의 성능이 저하되고 배터리(B)의 수명이 단축될 우려가 있다는 결점이 지적되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은, 제상모드로 제어될 경우라도 배터리를 지속적으로 냉각시킬 수 있는 전기자동차용 공조장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 제상모드에 관계없이 배터리를 지속적으로 냉각시킬 수 있도록 구성함으로써, 제상모드로 인한 배터리의 과열 및 수명의 단축 현상을 미연에 방지할 수 있는 전기자동차용 공조장치를 제공하는 데 있다.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 전기자동차용 공조장치는, 압축기와, 응축기와, 제 1팽창밸브와, 증발기와; 상기 응축기를 통과한 저온의 냉매를 바이패스하는 바이패스유로와; 상기 바이패스유로로 바이패스된 냉매를 감압 팽창시키는 제 2팽창밸브와; 상기 제 2팽창밸브를 통과한 저온의 냉매와 열교환매체를 열교환시키는 냉각열교환기와; 상기 냉각열교환기에서 열교환된 저온의 열교환매체를 상기 배터리로 순환시키는 배관과; 상기 공조장치의 증발기 온도를 감지하는 증발기온도 감지수단 및; 상기 증발기온도 감지수단에서 입력된 상기 증발기의 온도가 미리 설정된 기준온도 이하일 시에 상기 증발기로 도입되는 냉매의 흐름은 차단하고, 상기 냉각열교환기로 도입되는 냉매의 흐름은 허용하는 냉매흐름제어수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제 1팽창밸브는, 인가되는 제어신호에 따라 개도량이 가변 조절되는 가변식 전자밸브이고, 상기 냉매흐름제어수단은, 상기 증발기온도 감지수단에서 입력된 상기 증발기의 온도가 기준온도 이하일 시에 상기 제 1팽창밸브의 개도량이 차단되도록 제어하는 제어부인 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 제어부는, 상기 증발기의 온도가 기준온도 이하일 시에 상기 압축기의 냉매 토출용량을 저감시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전기자동차용 공조장치에 의하면, 공조장치가 "제상모드"일 경우라도, 공조장치의 냉매가 계속적으로 공급되면서 냉기를 발생시키는 구조이므로, 배터리를 공조장치의 "제상모드"에 관계없이 항상 지속적으로 냉각시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 공조장치의 "제상모드"에 관계없이 배터리를 지속적으로 냉각시킬 수 있으므로, 공조장치의 "제상모드"로 인한 배터리의 과열 및 수명의 단축 현상을 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 전기자동차용 공조장치를 나타내는 도면,
도 2는 본 발명에 따른 전기자동차용 공조장치를 나타내는 도면,
도 3은 본 발명에 따른 전기자동차용 공조장치의 작동예를 나타내는 도면으로서, 제상모드 상태를 나타내는 도면,
도 4는 본 발명에 따른 전기자동차용 공조장치의 작동예를 나타내는 플로우챠트,
도 5는 본 발명에 따른 전기자동차용 공조장치의 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 전기자동차용 공조장치의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명한다(종래와 동일한 구성요소는 동일한 부호를 사용하여 설명한다).
먼저, 본 발명에 따른 전기자동차용 공조장치의 특징부를 살펴보기에 앞서, 도 2를 참조하여 전기자동차용 공조장치에 대해 간략하게 설명한다.
전기자동차용 공조장치는, 압축기(22)와 응축기(3)와 제 1팽창밸브(4)와 증발기(20)를 구비한다.
압축기(22)는 기화된 냉매를 고온,고압의 가스로 압축하고, 응축기(3)는 고온,고압의 냉매를 액화시킨다. 그리고 제 1팽창밸브(4)는 액화된 냉매를 저온?저압으로 팽창시키고, 증발기(20)는 팽창된 저온?저압의 냉매를 유입한 후, 주변의 공기와 열교환시켜 냉기를 발생시킨다.
그리고 전기자동차용 공조장치는, 배터리(B)를 냉각시키기 위한 배터리 쿨링장치를 구비한다.
배터리 쿨링장치는, 공조장치(1)의 응축기(3)를 통과한 냉매를 바이패스하는 바이패스유로(5)와, 바이패스유로(5)상에 설치되는 제 2팽창밸브(7)와 냉각열교환기(9)를 구비한다.
제 2팽창밸브(7)는, 바이패스유로(5)로 바이패스된 냉매를 저온?저압으로 팽창시키고, 냉각열교환기(9)는, 팽창된 저온?저압의 냉매를 유입한 후, 주변의 공기와 열교환시켜서 냉기를 발생시킨다.
여기서, 제 2팽창밸브(7)는, 인가되는 제어신호에 따라 교축유로(7a)의 개도량이 가변 조절되는 가변식 전자밸브로 구성된다. 그리고 공조장치(1)의 제 1팽창밸브(4)도 인가되는 제어신호에 따라 교축유로(4a)의 개도량이 가변 조절되는 가변식 전자밸브로 구성된다.
그리고 배터리 쿨링장치는, 냉각열교환기(9)에서 발생된 냉기를 배터리(B)에 전달하는 냉기전달수단(10)을 구비한다.
냉기전달수단(10)은, 냉각열교환기(9)에 형성되는 열교환매체유로(12)와, 배터리(B)에 형성되는 냉매유로(14)와, 냉각열교환기(9)의 열교환매체유로(12)와 배터리(B)의 냉매유로(14)를 폐회로 형태로 연결하는 배관(16)과, 배관(16)을 따라 순환하면서 냉각열교환기(9)의 냉기를 배터리(B)에 전달하는 열교환매체(18)를 포함한다.
열교환매체유로(12)는, 냉각열교환기(9)의 냉매유로(9a)에 대응되게 형성된다. 따라서, 냉매유로(14)를 따라 유동하는 공조장치(1)의 냉매와 열교환매체유로(12)를 따라 유동하는 열교환매체(18)가 효율좋게 열교환될 수 있게 한다.
열교환매체(18)는, 냉각열교환기(9)의 열교환매체유로(12)와 배터리(B)의 냉매유로(14) 사이를 순환하면서 냉각열교환기(9)의 냉기를 배터리(B)에 전달한다. 따라서, 배터리(B)를 냉각시킨다.
다음으로, 본 발명에 따른 전기자동차용 공조장치의 특징부를 도 2 내지 도 4를 참조하여 상세하게 설명한다.
먼저, 도 2와 도 3을 참조하면, 본 발명의 공조장치는, 제어부(40)를 구비한다.
제어부(40)는, 마이크로 프로세서를 갖추고 있는 것으로, 증발기(20)에 아이싱 현상이 발생되어 상기 공조장치(1)가 "제상모드"로 전환될 경우, 제 1팽창밸브(4)와 제 2팽창밸브(7)의 개도량을 각각 제어한다.
특히, 제 1팽창밸브(4)는, 그 교축유로(4a)가 완전히 차단되도록 제어한다. 그리고 제 2팽창밸브(7)는, 그 교축유로(7a)가 개방되도록 제어한다. 따라서, 도 3에 도시된 바와 같이, 증발기(20)로 도입되는 냉매의 흐름만 차단하고, 냉각열교환기(9)로 도입되는 냉매의 흐름은 허용한다.
이로써, 공조장치(1)의 에어컨 작동은 정지시키고, 배터리 쿨링장치(50)의 작동은 계속해서 유지시킨다. 그 결과, 증발기(20)에 발생된 아이싱 현상은 차단하고, 배터리(B)의 냉각작용은 계속해서 진행될 수 있게 한다.
따라서, 종래와 같이, 공조장치(1)가 "제상모드"로 제어될 경우, 배터리 쿨링장치(50)도 작동 정지되는 단점을 해소할 수 있다. 이로써, 배터리 쿨링장치(50)의 작동 정지로 인한 배터리(B)의 과열 및 수명의 단축 현상을 미연에 방지할 수 있게 된다.
한편, 이러한 제어부(40)는, 증발기(20)의 아이싱이 제거되어 공조장치(1)의 "제상모드"가 해제될 경우, 제 1팽창밸브(4)를 원래의 상태로 개방한다. 따라서, 냉매의 흐름이 정상적으로 이루어질 수 있게 한다. 이로써, 에어컨이 정상적으로 작동되면서 차실내를 냉방할 수 있게 한다.
그리고 제어부(40)는, 공조장치(1)가 "제상모드"로 제어될 경우, 압축기(22)를 제어하기도 한다.
특히, 공조장치(1)가 "제상모드"로 제어될 경우, 압축기(22)에 인가되는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호의 듀티비(Duty Ratio:펄스폭의 넓이)를 줄여서 압축기(22)의 회전속도를 저감시킨다.
이렇게 구성한 이유는, 공조장치(1)가 "제상모드"로 제어될 경우에는, 배터리 쿨링장치(50)만 소량의 냉매를 필요로하므로, 압축기(22)의 회전속도를 줄여서 냉매의 유량을 저감시켜도 되기 때문이다. 그리고 압축기(22)의 회전속도를 줄일 수 있으므로, 연비저감의 효과를 기대할 수도 있다.
한편, 제어부(40)는, 상기 압축기(22)가 가변 용량형 사판식 압축기일 경우, 상기 압축기(22)의 사판 각도를 제어함으로써, 압축기(22)의 냉매 토출용량을 저감시킬 수도 있다.
다음으로, 이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 작동예를 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명한다.
먼저, 도 4와 도 2에 도시된 바와 같이, 에어컨이 온(ON)된 상태에서(S101), 제어부(40)는 공조장치(1)가 "제상모드"인지를 판단한다(S103).
판단 결과, "제상모드"이면, 공조장치(1)의 제 1팽창밸브(4)는 차단하고(S105), 배터리 쿨링장치(50)의 제 2팽창밸브(7)는 계속적으로 개방한다.
그러면, 공조장치(1)는, 작동을 멈추면서 증발기(20)의 아이싱 현상을 제거한다. 반면에, 배터리 쿨링장치(50)는 계속적으로 작동되는데, 이렇게 작동되는 배터리 쿨링장치(50)는 배터리(B)를 냉각시킨다. 따라서, 배터리(B)는 지속적으로 냉각되면서 최적의 온도를 유지할 수 있다.
한편, 제어부(40)는, 공조장치(1)가 "제상모드"로 전환될 시에, 압축기(22)에 인가되는 PWM 신호의 듀티비를 저감시킨다(S107).
그러면, 압축기(22)의 회전속도가 줄어들게 되고, 압축기(22)의 회전속도가 줄어듬에 따라 차량의 연비는 저감된다.
그리고 이러한 상태가 지속되는 과정에서, 증발기(20)의 아이싱 현상이 제거되면, 제어부(40)는 공조장치(1)의 제 1팽창밸브(4)를 원래의 상태로 개방시킨다(S109). 이와 동시에 압축기(22)에 인가되는 PWM 신호의 듀티비도 증발기(20) 온도에 따라 제어한다. 따라서, 증발기(20) 온도에 따른 압축기(22)의 토출용량 제어가 가능하다(S111).
그러면, 에어컨이 작동되면서 정상적인 차실내의 냉방작용을 수행한다. 이때, 배터리 쿨링장치(50)의 제 2팽창밸브(7)에도 냉매가 지속적으로 공급되므로, 배터리 쿨링장치(50)도 정상적으로 작동하면서 차량의 배터리(B)를 효율좋게 냉각시킨다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 배터리 쿨링장치는, 공조장치(1)가 "제상모드"일 경우라도, 공조장치(1)의 냉매가 계속적으로 공급되면서 냉기를 발생시키는 구조이므로, 배터리(B)를 공조장치(1)의 "제상모드"에 관계없이 항상 지속적으로 냉각시킬 수 있다.
또한, 공조장치(1)의 "제상모드"에 관계없이 배터리(B)를 지속적으로 냉각시킬 수 있으므로, 공조장치(1)의 "제상모드"로 인한 배터리(B)의 과열 및 수명의 단축 현상을 미연에 방지할 수 있다.
다음으로, 도 5에는 본 발명에 따른 배터리 쿨링장치의 다른 실시예를 나타내는 도면이 도시되어 있다.
다른 실시예의 배터리 쿨링장치는, 증발기(20)의 온도를 감지하기 위한 증발기온도 감지수단(60)을 구비한다.
증발기온도 감지수단(60)은, 증발기(20)의 인접한 부분에 설치되는 온도센서로서, 증발기(20)의 온도를 감지하여 상기 제어부(40)에 입력시킨다.
한편, 제어부(40)는, 증발기온도 감지수단(60)으로부터 증발기(20)의 온도가 입력되면, 입력된 증발기(20)의 온도가 미리 설정된 "기준온도", 예를 들면, 증발기(20)의 표면에 아이싱 현상이 나타나는 온도 이하인지를 판단한다.
판단 결과, "기준온도"이하이면, 제어부(40)는 증발기(20)의 표면에 아이싱 현상이 나타나는 것으로 판단하여, 공조장치(1)의 제 1팽창밸브(4)는 차단하고, 배터리 쿨링장치(50)의 제 2팽창밸브(7)는 개방하도록 제어한다. 따라서, 증발기(20)로 도입되는 냉매의 흐름만 차단하고, 냉각열교환기(9)로 도입되는 냉매의 흐름은 허용한다.
이로써, 공조장치(1)의 작동은 정지시키고, 배터리 쿨링장치(50)의 작동은 계속해서 유지시킨다. 그 결과, 공조장치(1)의 증발기(20)에 발생된 아이싱 현상은 차단하고, 배터리(B)의 냉각작용은 계속해서 진행될 수 있게 한다.
한편, 제어부(40)는, 증발기온도 감지수단(10)으로부터 입력된 증발기(20)의 온도가 "기준온도"이하이면, 압축기(22)에 인가되는 PWM 신호의 듀티비를 줄여서 압축기(22)의 회전속도를 저감시킨다. 따라서 연비 저감의 효과를 얻을 수 있다.
반대로, 제어부(40)는, 증발기온도 감지수단(10)으로부터 입력된 증발기(20)의 온도가 "기준온도"를 초과하면, 증발기(20)의 온도에 비례하여 압축기(22)에 인가되는 PWM 신호의 듀티비를 증가시킨다.
따라서, 증발기(20)의 부하에 따라 압축기(22)의 회전속도를 증가시킨다. 이로써, 증발기(20)의 부하에 대응하여 냉매의 토출유량이 증가될 수 있게 한다. 그 결과, 외기의 온도에 비례하여 차실내의 냉방성능이 증가될 수 있게 제어한다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 범주내에서 적절하게 변경 가능한 것이다. 예를 들면, 본 발명에서는 전기자동차용으로 설명하였으나, 차량 구동용 배터리를 구비한 하이브리드 차량에도 적용가능하다.
1: 공조장치 3: 응축기
4: 제 1팽창밸브 4a: 제 1팽창밸브의 교축유로
5: 바이패스유로 7: 제 2팽창밸브
7a: 제 2팽창밸브의 교축유로 9: 냉각열교환기
10: 냉기전달수단 12: 열교환매체유로
14: 냉매유로 16: 배관
18: 열교환매체 20: 증발기
22: 압축기 40: 제어부
50: 배터리 쿨링장치 60: 증발기온도 감지수단
B: 배터리(Battery)

Claims (5)

  1. 압축기(22)와, 응축기(3)와, 제 1팽창밸브(4)와, 증발기(20)와;
    상기 응축기(3)를 통과한 저온의 냉매를 바이패스하는 바이패스유로(5)와;
    상기 바이패스유로(5)로 바이패스된 냉매를 감압 팽창시키는 제 2팽창밸브(7)와;
    상기 제 2팽창밸브(7)를 통과한 저온의 냉매와 열교환매체를 열교환시키는 냉각열교환기(9)와;
    상기 냉각열교환기(9)에서 열교환된 저온의 열교환매체를 상기 배터리(B)로 순환시키는 배관(16)과;
    상기 공조장치(1)의 증발기(20) 온도를 감지하는 증발기온도 감지수단(60) 및;
    상기 증발기온도 감지수단(60)에서 입력된 상기 증발기(20)의 온도가 미리 설정된 기준온도 이하일 시에 상기 증발기(20)로 도입되는 냉매의 흐름은 차단하고, 상기 냉각열교환기(9)로 도입되는 냉매의 흐름은 허용하는 냉매흐름제어수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 공조장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1팽창밸브(4)는, 인가되는 제어신호에 따라 개도량이 가변 조절되는 가변식 전자밸브이고,
    상기 냉매흐름제어수단은, 상기 증발기온도 감지수단(10)에서 입력된 상기 증발기(20)의 온도가 기준온도 이하일 시에 상기 제 1팽창밸브(4)의 개도량이 차단되도록 제어하는 제어부(40)인 것을 특징으로 하는 전기자동차용 공조장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제어부(40)는,
    상기 증발기(20)의 온도가 기준온도 이하일 시에 상기 압축기(22)의 냉매 토출용량을 저감시키는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 공조장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제어부(40)는,
    상기 증발기(20)의 온도가 기준온도를 초과할 시에, 상기 증발기(20)로 냉매가 공급될 수 있도록 상기 제 1팽창밸브(4)를 개방하고, 상기 증발기(20)의 온도에 비례하여 상기 압축기(22)의 냉매 토출용량을 증가시키는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 공조장치.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기준온도는, 상기 증발기(20)의 표면에 아이싱 현상이 나타나는 온도인 것을 특징으로 하는 전기자동차용 공조장치.
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