KR20130064382A - 전기자동차의 히트 펌프 시스템 및 제어방법 - Google Patents

전기자동차의 히트 펌프 시스템 및 제어방법 Download PDF

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배효찬
이길우
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 전기자동차의 히트 펌프 시스템에서 실외 열교환기를 통과하는 공기 유량의 변화율로부터 적상 여부를 감지하여 제상 제어가 제공되도록 하는 전기자동차의 히트 펌프 시스템 및 제어방법이 개시된다.
본 발명은 난방 운전모드에서 실외 열교환기에 유입되는 공기 유량과 실외 열교환기를 통과하는 공기 유량을 검출하는 과정; 실외 열교환기에 유입되는 공기 유량과 실외 열교환기를 통과하는 공기 유량을 비교하여 유량 차이를 판단하는 과정; 유량의 차이가 설정된 일정량 이상이면 실외 열교환기에 적상이 발생되고 있는 것으로 판정하는 과정; 실외 열교환기에 적상이 발생되는 것이 판정되면 난방 운전모드를 오프시키거나 냉방 운전모드로 절환하는 과정을 포함한다.

Description

전기자동차의 히트 펌프 시스템 및 제어방법{HEAT PUMP SYSTEM FOR ELECTRIC VEHICLE AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 전기자동차의 히트 펌프 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실외 열교환기를 통과하는 공기 유량의 변화율로부터 적상 여부를 감지하여 제상 제어가 제공되도록 하는 전기자동차의 히트 펌프 시스템 및 제어방법에 관한 것이다.
통상적으로 화석연료를 이용하는 자동차는 엔진과 연결된 압축기로 냉매를 압축 순환시켜 냉방을 제공하고, 엔진에서 발생하는 열을 이용하거나 보조열량으로 전기히터를 추가하여 난방을 제공한다.
난방은 엔진에서 방출되는 열과 히터를 이용하여 실내로의 열교환을 통해 실행하고, 냉방은 냉매 압축기를 이용한 냉동 사이클을 구성하여 실내의 공기조화를 실시하게 된다.
따라서, 겨울철 외기온도가 급격히 내려가는 저온의 상태에서도 엔진에서의 발열량 자체는 동일하므로 난방성능 자체는 저하되지 않는다.
그러나, 전기자동차는 높은 열원을 발생시키는 엔진이 장착되지 않으므로 전기히터 또는 히트 펌프 시스템을 적용하여 난방을 제공한다.
전기히터는 구조가 간단하고 사용방법이 쉽다는 장점이 있으나, 전력대비 열발생량이 100%를 넘을 수 없기 때문에 많은 전력 사용량이 커지게 되는 문제점을 발생시킨다.
전기자동차는 배터리를 사용하거나 연료전지, 혹은 급전장치 등에 의한 전력수급을 통하여 동작하므로 난방을 위한 과다한 전기사용은 배터리 또는 집전장치의 소모를 촉진시키고 발전장치 혹은 집전장치의 용량을 대폭 증가시켜야 하는 결과를 가져온다.
따라서, 전기자동차는 겨울철 운행에서 전기 에너지의 효율적인 사용과 난방을 제공하기 위해 히트 펌프 시스템을 적용하고 있다.
히트 펌프 시스템은 난방 운전시 실외의 열교환기가 증발기로 작용하므로 겨울철 외기의 온도가 하강하고, 많은 수분을 함유하고 있으므로 실외 열교환기의 표면에 착상이 발생되고 시간의 경과에 따라 적상되어 방열 성능을 저하시키게 된다.
그리고, 고체화된 응축수에 의해 열교환기를 파손시키는 품질 문제를 발생시킨다.
도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 실외의 온도가 낮고 습도가 높은 겨울철 운행이 지속되면 실외 열교환기의 표면에 착상된 서리가 시간이 경과함에 따라 점차적으로 성장하여 외기와 실외 열교환기의 접촉 면적을 현저하게 감소시켜 열교환 효율이 저하시킨다.
따라서, 난방 성능 및 압축기 효율이 현저하게 저하되고, 과도한 토출압력 및 토출온도의 상승으로 인해 압축기의 손상을 유발시킬 수 있다.
상기와 같이 실외 열교환기의 표면에 착상이 발생하여 열교환 효율이 떨어지게 되면 제상 운전을 실행한다.
히트 펌프 시스템에서 제상 운전을 실행하는 방법은 매우 다양하게 제공되고 있다.
예를 들어, 냉매의 순환을 절환시키는 역사이클 방식, 열교환기의 표면에 따뜻한 물이나 브라인, 부동액 등을 일시에 다량을 살수하여 착상된 서리를 제거하는 살수식 방식, 코일(Coil)사이에 전기히트를 삽입하여 제상을 실행하는 전기히터방식, 제상중에서도 실내 팬을 작동하여 난방을 실행하면서 제상을 실행하는 핫가스 바이패스 방식, 압축기에서 외부로 배출되는 폐열을 축열조에 저장하거나 외부 열원에 의해 축열된 열원으로 제상하는 축열방식 등이 제공되고 있다.
상기에서 언급한 제상 운전은 적상이 발생된 이후에 실행하는 제상 운전기술이며, 전기자동차용 히트 펌프 시스템에는 적상 발생 이전에 적상을 인지기술은 아직 개발되지 못한 상황이다.
적상 인지가 늦어질 경우, 송풍팬에 의해 흡입된 공기가 얼음으로 변하여 실외 연교환기에 공급되는 공기를 차단시키므로 증발기능을 상실하게 되며, 증발이 발생되지 않으면 냉매의 질량 유량이 감소하여 고압측(응축기측)의 압력이 하강하게 되고, 압력의 감소는 응축온도의 하강을 초래하여 난방에 필요한 만큼의 열량을 얻지 못하게 된다.
따라서, 냉방 사이클로 절환하여 제상을 실행한 다음 난방 사이클로 전환하여 난방 운전을 실행해야 함에 따라 냉방운전의 절환으로 난방 기능이 일시적으로 상실하여 사용자 불만의 원인을 초래한다.
그리고, 정확한 제상 개시시간을 정할 수가 없어서 서리가 얼음의 구조로 바뀐 후에 제상 개시할 경우 얼음에서 물로의 상변화에 따른 열량 손실이 많이 발생하게 되고, 정확한 시기에 제상을 수행하지 못함에 따른 제상 운전시간이 많이 소요되어 히트 펌프의 운전효율이 저하되는 등의 많은 문제점이 발생한다.
상기한 문제점을 개선하기 위한 본 발명의 목적은 실외 열교환기를 통과하는 공기 유량의 변화율로부터 적상 발생 여부를 감지하여 최적의 운전 효율이 제공되는 제상 제어를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따르는 특징은 냉매를 고온 고압으로 압축하여 송출하는 압축기; 전기자동차의 실내에 설치되어 냉방 운전모드에서 증발기로 작용하고, 난방 운전모드에서 응축기로 작용하는 제1열교환기; 전기자동차의 실외에 설치되어 냉방 운전모드에서 응축기로서 작용하고, 난방 운전모드에서 증발기로 작용하는 제2열교환기; 제1열교환기와 제2열교환기를 연결하는 배관에 설치되어 응축된 냉매를 팽창시키는 팽창밸브; 냉방 운전모드 혹은 난방 운전모드에 따라 냉매의 순환 경로를 절환시키는 절환밸브를 포함하며,
제2열교환기에 유입되는 공기의 유량을 검출하는 제1유량검출부; 제2열교환기를 통과하는 공기의 유량을 검출하는 제2유량검출부; 공조모드에 따라 압축기와 절환밸브를 작동시켜 냉방 운전모드 혹은 난방 운전모드를 실행하고, 난방 운전모드에서 제1유량검출부와 제2유량검출부의 정보를 분석하여 제2열교환기에 유입되는 공기 유량과 제2열교환기를 통과하는 공기 유량의 차이를 산출하여 공기 유량의 차이가 설정된 일정량 이상 제2열교환기에 적상이 발생되고 있는 것으로 판정하는 제어부를 포함하는 전기자동차의 히트 펌프 시스템이 제공된다.
상기 제어부는 제2열교환기에 적상이 발생되고 있음이 판정되면 난방 운전모드를 오프시키거나 절환밸브를 작동시켜 냉방 운전모드로 절환하여 적상이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
상기 제어부는 설정된 일정시간이 경과하였거나 제1유량검출부와 제2유량검출부에서 검출되는 제2열교환기를 통과하는 공기의 유량이 동일하거나 유량의 차이가 설정된 일정량 이하로 검출되면 난방 운전모드를 재실행할수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르는 특징은 난방 운전모드에서 실외 열교환기에 유입되는 공기 유량과 실외 열교환기를 통과하는 공기 유량을 검출하는 과정; 상기 실외 열교환기에 유입되는 공기 유량과 실외 열교환기를 통과하는 공기 유량을 비교하여 유량 차이를 판단하는 과정; 상기 유량의 차이가 설정된 일정량 이상이면 실외 열교환기에 적상이 발생되고 있는 것으로 판정하는 과정; 상기 실외 열교환기에 적상이 발생되는 것이 판정되면 난방 운전모드를 오프시키거나 냉방 운전모드로 절환하는 과정을 포함하는 전기자동차의 히트 펌프 시스템 제어방법이 제공된다.
상기 난방 운전모드를 오프 혹은 냉방 운전모드로 절환된 이후 설정된 일정시간이 경과하였거나 실외 열교환기의 공기 유량의 차이가 설정된 일정량 이하이면 난방 운전모드를 재실행할 수 있다.
상기 실외 열교환기의 적상 발생 판정을 위한 공기 유량의 차이는 8 ~ 15%의 범위로 설정될 수 있다.
이와 같이 본 발명은 실외 열교환기의 전면과 후면의 공기유량(속도) 변화로부터 실외 열교환기의 적상 여부를 사전에 판별하여 최소한의 적상이 진행되더라도 조기에 감지할 수 있어 적상 발생으로 인한 난방 기능 상실 및 사용자 불만을 제거할 수 있다.
또한, 적상 발생을 사전에 감지하여 적상이 발생되지 않도록 제상 기능을 실행함으로서, 실외 열교환기의 부품 파손을 유발하는 품질 문제를 사전에 예방할 수 있으며, 히트 펌프의 운전효율이 저하되는 문제점을 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차의 히트 펌프 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차의 히트 펌프 시스템 제어절차를 개략적으로 도시한 흐름도이다.
도 3은 전기자동차의 히터 펌프 시스템에서 실외 열교환기의 적상 과정을 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않으며, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차의 히트 펌프 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 히트 펌프 시스템은 압축기(10)와 제1열교환기(20), 제2열교환기(30), 팽창밸브(40), 절환밸브(50), 제1유량검출부(60), 제2유량검출부(70) 및 제어부(80)를 포함한다.
압축기(10)는 배관을 통해 제1열교환기(20)와 제2열교환기(30)를 연결하며, 냉매를 고온 고압으로 압축한 다음 배관을 통해 제1열교환기(20)와 제2열교환기(30)를 순환시킨다.
제1열교환기(20)는 전기자동차의 실내측에 설치되는 열교환기로 냉방 운전모드에서 제2열교환기(30) 및 팽창밸브(40)를 유동한 냉매를 공급받아 증발기로 작용하고, 난방 운전모드에서 압축기(10)로부터 고온 고압으로 압축된 냉매를 공급받아 응축기로 작용한다.
제2열교환기(30)는 전기자동차의 실외측에 설치되는 열교환기로, 냉방 운전모드에서 압축기(10)로부터 고온 고압으로 압축된 냉매를 공급받아 응축기로 작용하고, 난방 운전모드에서 제1열교환기(20) 및 팽창밸브(40)를 유동한 냉매를 공급받아 증발기로 작용한다.
팽창밸브(40)는 제1열교환기(20)와 제2열교환기(30)를 연결하는 배관에 설치되어 응축된 냉매를 저온 저압으로 팽창시키는 기능을 실행한다.
절환밸브(50)는 압축기(10)와 제1열교환기(20) 및 제2열교환기(30)로 연결된 배관들을 상호 선택적으로 연결하도록 설치되어 냉방 또는 난방을 위한 냉매 흐름을 제어한다.
상기 절환밸브(50)는 4웨이밸브(4Way Valve)로 구성되며, 냉방 운전모드에서 압축기(10)에서 송출되는 고온 고압의 냉매를 제2열교환기(30)쪽으로 유동함과 동시에 제1열교환기(20)를 통과한 냉매가 압축기(10)로 재유입되어 순환하도록 유로를 제어하고, 난방 운전모드에서 압축기(10)에서 송출되는 고온 고압의 냉매를 제1열교환기(20)로 유동함과 동시에 제2열교환기(30)를 통과한 냉매가 압축기(10)로 재유입되어 순환하도록 제어한다.
제1유량검출부(60)는 제2열교환기(30)의 일측에 설치되어 운행상태에서 제2열교환기(30)에 유입되는 공기의 유량을 검출하여 그에 대한 정보를 제어부(80)에 제공한다.
제2유량검출부(70)는 제2열교환기(30)의 다른 일측에 설치되어 운행상태에서 제2열교환기(30)를 통과하는 공기의 유량을 검출하여 그에 대한 정보를 제어부(80)에 제공한다.
제어부(80)는 운전자가 선택하는 공조모드에 따라 압축기(10)와 절환밸브(50)를 작동시켜 냉방 운전모드 혹은 난방 운전모드를 실행하고, 실내의 온도에 따라 압축기(10)의 동작 온/오프를 제어한다.
또한, 상기 제어부(80)는 난방 운전모드에서 제1유량검출부(60)로부터 제2열교환기(30)에 유입되는 공기의 유량을 검출하고, 제2유량검출부(70)로부터 제2열교환기(30)를 통과하는 공기의 유량을 검출하여 공기 유량의 차이를 산출하며, 공기 유량의 차이가 설정된 일정량 이상, 예를 들어 8 ~ 15% 이상으로 판단되면 제2열교환기(30)에 적상이 발생되고 있는 것으로 판정한다.
상기 제어부(80)는 제2열교환기(30)에 적상이 발생되고 있음이 판정되면 난방 운전모드를 오프시키거나 절환밸브(50)를 작동시켜 냉방 운전모드로 절환하여 적상이 발생되는 것을 방지시킨다.
그리고, 상기 제어부(80)는 설정된 일정시간이 경과하였거나 제1유량검출부(60)와 제2유량검출부(70)에서 검출되는 제2열교환기(30)를 통과하는 공기의 유량이 동일하거나 유량의 차이가 설정된 일정량 이하로 검출되면 난방 운전모드를 재실행하여 전기자동차의 실내 난방을 제공한다.
전술한 바와 같은 기능을 포함하는 본 발명의 동작은 다음과 같이 실행된다.
운전자에 의해 냉방 운전모드가 선택되면 제어부(80)는 절환밸브(50)를 작동시켜 냉매의 유로를 압축기(10) → 절환밸브(50) → 제2열교환기(30) → 팽창밸브(40) → 제1열교환기(20) → 절환밸브(50) → 압축기(10)로 연결한다.
그리고, 제어부(20)는 압축기(10)를 구동시켜 고온 고압으로 압축된 냉매를 송출시켜 절환밸브(50)를 통해 제2열교환기(30)로 유입시키고, 제2열교환기(30)는 외기와의 열교환을 통해 고온 고압의 냉매를 응축시킨다.
상기 제2열교환기(30)에서 응축된 냉매는 팽창밸브(40)를 거치면서 감압된 후 제1열교환기(20)를 통과하면서 외기와의 열교환을 통해 증발된다.
이때, 제1열교환기(20)를 통해 열교환된 외기는 전기자동차의 실내로 유입되면서 실내를 냉방한다.
상기 제1열교환기(20)를 통과한 냉매는 절환밸브(50)를 거쳐 압축기(10)로 재유입되어 순환한다.
또한, 운전자에 의해 난방 운전모드가 선택되면 제어부(80)는 절환밸브(50)를 작동시켜 냉매의 유로를 압축기(10) → 절환밸브(50) → 제1열교환기(20) → 팽창밸브(40) → 제2열교환기(30) → 절환밸브(50) → 압축기(10)로 연결한다.
그리고, 제어부(20)는 압축기(10)를 구동시켜 고온 고압으로 압축된 냉매를 송출시켜 절환밸브(50)를 통해 제1열교환기(20)로 유입시키고, 제2열교환기(20)는 외기와의 열교환을 통해 고온 고압의 냉매를 응축시킨다.
이때, 제1열교환기(20)를 통해 열교환된 외기는 전기자동차의 실내로 유입되면서 실내를 난방한다.
상기 제1열교환기(20)를 통과하여 응축된 냉매는 팽창밸브(40)를 통과하면서 감압된 후 제2열교환기(30)를 통과하면서 외기와의 열교환을 통해 증발된다.
이때, 외기가 설정된 일정 온도, 예를 들어 5℃ 이하이고, 많은 수분을 함유하는 경우 제2열교환기(30)의 표면에서 착상이 일어나게 된다.
상기와 같이 난방 운전모드가 실행되는 상태에서(S101) 제어부(80)는 제1유량검출부(60)로부터 증발기로 작동되는 실외 열교환기인 제2열교환기(30)에 유입되는 공기의 유량을 검출하고(S102), 제2유량검출부(70)로부터 제2열교환기(30)를 통과하는 공기의 유량을 검출한다(S103).
이후, 제어부(80)는 제2열교환기(30)에 유입되는 공기 유량과 제2열교환기(30)를 통과한 공기 유량의 차이를 산출하여(S104), 공기 유량의 차이가 설정된 일정량 이상, 예를 들어 8 ~ 15% 이상인지를 판단한다(S105).
상기 S105에서 제어부(80)는 공기 유량의 차이가 설정된 일정량 이하이면 제2열교환기(30)에서 적상이 발생되지 않는 상태로 판단하고 상기 S102의 과정으로 리턴된다.
그러나, 상기 S105에서 제어부(80)는 공기 유량의 차이가 설정된 일정량 이상이면 제2열교환기(30)에 적상이 발생되고 있는 것으로 판정한다(S106).
상기 S106에서 제어부(80)는 제2열교환기(30)에서 적상이 발생되고 있음이 판정되면 난방 운전모드를 오프시키거나 절환밸브(50)를 작동시켜 냉방 운전모드로 절환하여(S107) 적상이 발생되는 것을 방지시킨다(S108).
이후, 제어부(80)는 설정된 일정시간이 경과하였거나 제1유량검출부(60)와 제2유량검출부(70)에서 검출되는 제2열교환기(30)를 통과하는 공기의 유량이 동일하거나 유량의 차이가 설정된 일정량 이하로 검출되면 난방 운전모드를 재실행하여 전기자동차의 실내 난방을 제공한다.
이상에서는 본 발명의 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 구성요소의 부가, 변경, 추가, 삭제 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 포함된다고 할 것이다.
10 : 압축기 20 : 제1열교환기
30 : 제2열교환기 40 : 팽창밸브
50 : 절환밸브 60 : 제1유량검출부
70 : 제2유량검출부 80 : 제어부

Claims (6)

  1. 냉매를 고온 고압으로 압축하여 송출하는 압축기;
    전기자동차의 실내에 설치되어 냉방 운전모드에서 증발기로 작용하고, 난방 운전모드에서 응축기로 작용하는 제1열교환기;
    전기자동차의 실외에 설치되어 냉방 운전모드에서 응축기로서 작용하고, 난방 운전모드에서 증발기로 작용하는 제2열교환기;
    제1열교환기와 제2열교환기를 연결하는 배관에 설치되어 응축된 냉매를 팽창시키는 팽창밸브;
    냉방 운전모드 혹은 난방 운전모드에 따라 냉매의 순환 경로를 절환시키는 절환밸브;
    를 포함하며,
    제2열교환기에 유입되는 공기의 유량을 검출하는 제1유량검출부;
    제2열교환기를 통과하는 공기의 유량을 검출하는 제2유량검출부;
    공조모드에 따라 압축기와 절환밸브를 작동시켜 냉방 운전모드 혹은 난방 운전모드를 실행하고, 난방 운전모드에서 제1유량검출부와 제2유량검출부의 정보를 분석하여 제2열교환기에 유입되는 공기 유량과 제2열교환기를 통과하는 공기 유량의 차이를 산출하여 공기 유량의 차이가 설정된 일정량 이상 제2열교환기에 적상이 발생되고 있는 것으로 판정하는 제어부;
    를 포함하는 전기자동차의 히트 펌프 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 제2열교환기에 적상이 발생되고 있음이 판정되면 난방 운전모드를 오프시키거나 절환밸브를 작동시켜 냉방 운전모드로 절환하여 적상이 발생되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 히트 펌프 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 설정된 일정시간이 경과하였거나 제1유량검출부와 제2유량검출부에서 검출되는 제2열교환기를 통과하는 공기의 유량이 동일하거나 유량의 차이가 설정된 일정량 이하로 검출되면 난방 운전모드를 재실행하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 히트 펌프 시스템.
  4. 난방 운전모드에서 실외 열교환기에 유입되는 공기 유량과 실외 열교환기를 통과하는 공기 유량을 검출하는 과정;
    상기 실외 열교환기에 유입되는 공기 유량과 실외 열교환기를 통과하는 공기 유량을 비교하여 유량 차이를 판단하는 과정;
    상기 유량의 차이가 설정된 일정량 이상이면 실외 열교환기에 적상이 발생되고 있는 것으로 판정하는 과정;
    상기 실외 열교환기에 적상이 발생되는 것이 판정되면 난방 운전모드를 오프시키거나 냉방 운전모드로 절환하는 과정;
    을 포함하는 전기자동차의 히트 펌프 시스템 제어방법.
  5. 제4항에 있어서,
    난방 운전모드를 오프 혹은 냉방 운전모드로 절환된 이후 설정된 일정시간이 경과하였거나 실외 열교환기의 공기 유량의 차이가 설정된 일정량 이하이면 난방 운전모드를 재실행하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 히트 펌프 시스템 제어방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 실외 열교환기의 적상 발생 판정을 위한 공기 유량의 차이는 8 ~ 15%의 범위로 설정되는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 히트 펌프 시스템 제어방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113195272A (zh) * 2018-12-25 2021-07-30 三电汽车空调系统株式会社 车辆用空气调节装置

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