KR20130100715A - 차량용 히트 펌프 시스템의 제어방법 및 그 시스템 - Google Patents

차량용 히트 펌프 시스템의 제어방법 및 그 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량용 히트 펌프 시스템의 제어방법 및 그 시스템에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 히트펌프 모드시 목표토출온도를 만족하기 위해, 압축기 회전수가 압축기 최대회전수의 상한치 보다 작을 경우에는 압축기만 가변 제어하고, 압축기 회전수가 압축기 최대회전수의 상한치에 도달했을 경우에만 전기가열식히터까지 작동시키도록 함으로써, 목표토출온도를 만족하기 위해 압축기와 전기가열식히터를 동시에 가변제어 할 경우 발생하는 차실내 공기토출온도의 수렴성이 떨어지거나 불안정해지는 문제를 해결할 수 있고, 최대 난방모드시 압축기를 최대회전수로만 작동시키지 않고 압축기 최대회전수의 상한치를 조건에 따라 차별화하여 압축기의 소음에 의한 탑승자의 불만을 줄임은 물론 압축기의 내구성 및 시스템의 안정성을 향상할 수 있는 차량용 히트 펌프 시스템의 제어방법 및 그 시스템에 관한 것이다.

Description

차량용 히트 펌프 시스템의 제어방법 및 그 시스템{Control method of heat pump system for vehicle and its system}
본 발명은 차량용 히트 펌프 시스템의 제어방법 및 그 시스템에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 히트펌프 모드시 목표토출온도를 만족하기 위해, 압축기 회전수가 압축기 최대회전수의 상한치 보다 작을 경우에는 압축기만 가변 제어하고, 압축기 회전수가 압축기 최대회전수의 상한치에 도달했을 경우에만 전기가열식히터까지 작동시키도록 하며, 최대 난방모드시에는 압축기를 최대회전수로만 작동시키지 않고 압축기 최대회전수의 상한치를 조건에 따라 차별화한 차량용 히트 펌프 시스템의 제어방법 및 그 시스템에 관한 것이다.
차량용 공조장치는, 통상적으로 차량의 실내를 냉방하기 위한 냉방시스템과, 차량의 실내를 난방하기 위한 난방시스템을 포함하여 이루어진다. 상기 냉방시스템은, 냉매사이클의 증발기측에서 증발기의 외부를 거치는 공기를 증발기 내부를 흐르는 냉매와 열교환시켜 냉기로 바꾸어, 차량 실내를 냉방하도록 구성되고, 상기 난방시스템은 냉각수 사이클의 히터코어측에서 히터코어 외부를 거치는 공기를 히터코어 내부를 흐르는 냉각수와 열교환시켜 온기로 바꾸어, 차량 실내를 난방하도록 구성된다.
한편, 상기한 차량용 공조장치와는 다른 것으로, 하나의 냉매사이클을 이용하여 냉매의 유동방향을 전환함으로써, 냉방과 난방을 선택적으로 수행할 수 있는 히트펌프 시스템이 적용되고 있는데, 예컨대 2개의 열교환기(즉, 공조케이스 내부에 설치되어 차량 실내로 송풍되는 공기와 열교환하기 위한 실내 열교환기와, 공조케이스 외부에서 열교환하기 위한 실외 열교환기)와, 냉매의 유동방향을 전환할 수 있는 방향조절밸브를 구비한다. 따라서, 방향조절밸브에 의한 냉매의 유동방향에 따라 냉방모드가 가동될 경우에는 상기 실내 열교환기가 냉방용 열교환기의 역할을 하게 되며, 난방모드가 가동될 경우에는 상기 실내 열교환기가 난방용 열교환기의 역할을 하게 된다.
이러한 차량용 히트펌프 시스템으로 다양한 종류가 제안되고 있는데, 그 대표적인 일예가 도 1에 도시되어 있다.
도 1에 도시된 차량용 히트펌프 시스템은, 냉매를 압축하고 토출하는 압축기(30)와, 상기 압축기(30)로부터 토출되는 냉매를 방열시키는 고압측 열교환기(32)와, 병렬구조로 설치되어 상기 고압측 열교환기(32)를 통과한 냉매를 선택적으로 통과시키는 제1팽창밸브(34) 및 제1바이패스 밸브(36)와, 상기 제1팽창밸브(34) 또는 제1바이패스 밸브(36)를 통과한 냉매를 실외에서 열교환시키는 실외열교환기(48)와, 상기 실외열교환기(48)를 통과한 냉매를 증발시키는 저압측 열교환기(60)와, 상기 저압측 열교환기(60)를 통과한 냉매를 기상과 액상의 냉매로 분리하는 어큐뮬레이터(Accumulator, 62)와, 상기 저압측 열교환기(60)로 공급되는 냉매와, 압축기(30)로 복귀하는 냉매를 열교환시키는 내부열교환기(50)와, 상기 저압측 열교환기(60)로 공급되는 냉매를 선택적으로 팽창시키는 제2팽창밸브(56)와, 그리고 상기 제2팽창밸브(56)와 병렬로 설치되어 상기 실외열교환기(48)의 출구측과 상기 어큐뮬레이터(62)의 입구측을 선택적으로 연결하는 제2바이패스 밸브(58)를 포함하여 이루어진다.
도 1 중 도면부호 10은 상기 고압측 열교환기(32)와 저압측 열교환기(60)가 내장되는 공조케이스, 도면부호 12는 냉기와 온기의 혼합량을 조절하는 온도조절도어, 도면부호 20은 상기 공조케이스의 입구에 설치되는 송풍기를 각각 나타낸다.
한편, 상기 공조케이스(10)의 내부에는 난방성능 확보를 위해 전기가열식히터(미도시)가 설치된다.
상기한 바와 같이 구성된 종래 차량용 히트펌프 시스템에 따르면, 히트펌프 모드(난방모드)가 가동될 경우에는, 제1바이패스 밸브(36) 및 제2팽창밸브(56)는 닫히고, 제1팽창밸브(34) 및 제2바이패스 밸브(58)는 개방된다. 또한, 온도조절도어(12)는 도 1처럼 동작한다. 따라서, 압축기(30)로부터 토출되는 냉매는 고압측 열교환기(32), 제1팽창밸브(34), 실외열교환기(48), 내부열교환기(50)의 고압부(52), 제2바이패스 밸브(58), 어큐뮬레이터(62) 및 상기 내부열교환기(50)의 저압부(54)를 차례로 거쳐 압축기(30)로 복귀한다. 즉, 상기 고압측 열교환기(32)가 난방기의 역할을 하게 되고, 상기 실외열교환기(48)는 증발기의 역할을 하게 된다.
에어컨 모드(냉방모드)가 가동될 경우에는, 제1바이패스 밸브(36) 및 제2팽창밸브(56)는 개방되고, 제1팽창밸브(34) 및 제2바이패스 밸브(58)는 닫히게 된다. 또한, 온도조절도어(12)는 고압측 열교환기(32) 통로를 폐쇄하게 된다. 따라서, 압축기(30)로부터 토출되는 냉매는 고압측 열교환기(32), 제1바이패스밸브(36), 실외열교환기(48), 내부열교환기(50)의 고압부(52), 제2팽창밸브(56), 저압측 열교환기(60), 어큐뮬레이터(62) 및 상기 내부열교환기(50)의 저압부(54)를 차례로 거쳐 압축기(30)로 복귀한다. 즉, 상기 저압측 열교환기(60)가 증발기의 역할을 하게 되고, 상기 온도조절도어(12)에 의해 폐쇄된 상기 고압측 열교환기(32)는 히트펌프 모드시와 동일하게 난방기의 역할을 하게 된다.
그러나, 상기 종래의 차량용 히트펌프 시스템은, 히트펌프 모드(난방모드)시, 목표토출온도를 만족하기 위해 상기 압축기(30)의 회전수와 전기가열식히터의 발열량을 동시에 가변제어하게 되는데, 이때 압축기(30)의 회전수와 전기가열식히터의 발열량을 동시에 가변제어함으로 인해 차실내 공기토출온도의 수렴성이 떨어지거나 불안정해지는 문제가 있다.
또한, 최대 난방모드시에는 압축기(30)를 최대회전수로만 작동시킴에 따라 압축기(30)의 소음 증가로 인해 탑승자의 불만을 초래하는 문제도 있었다.
상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 히트펌프 모드시 목표토출온도를 만족하기 위해, 압축기 회전수가 압축기 최대회전수의 상한치 보다 작을 경우에는 압축기만 가변 제어하고, 압축기 회전수가 압축기 최대회전수의 상한치에 도달했을 경우에만 전기가열식히터까지 작동시키도록 함으로써, 목표토출온도를 만족하기 위해 압축기와 전기가열식히터를 동시에 가변제어 할 경우 발생하는 차실내 공기토출온도의 수렴성이 떨어지거나 불안정해지는 문제를 해결할 수 있고, 최대 난방모드시 압축기를 최대회전수로만 작동시키지 않고 압축기 최대회전수의 상한치를 조건에 따라 차별화하여 압축기의 소음에 의한 탑승자의 불만을 줄임은 물론 압축기의 내구성 및 시스템의 안정성을 향상할 수 있는 차량용 히트 펌프 시스템의 제어방법 및 그 시스템을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 차량용 히트 펌프 시스템의 제어방법에 있어서, 차량의 각종 센서값을 수신받아 목표토출온도를 연산하는 제1단계와, 상기 제1단계를 거친 후, 상기 목표토출온도 또는 탑승자 선택에 따라 에어컨 모드인지 히트펌프 모드인지를 판단하는 제2단계와, 상기 제2단계의 판단결과, 히트펌프 모드이면, 상기 목표토출온도와 차실내 공기토출온도간에 편차를 연산하는 제3단계와, 상기 제3단계를 거친 후, 상기 제3단계의 편차에 따른 압축기 회전수를 연산하는 제4단계와, 상기 제4단계를 거친 후, 상기 압축기 회전수가 압축기 최대회전수의 상한치 보다 작은지를 판단하는 제5단계와, 상기 제5단계의 판단 결과, 상기 압축기 회전수가 압축기 최대회전수의 상한치 보다 작으면, 상기 제4단계에서 연산된 편차에 따른 압축기 회전수로 상기 압축기를 가변 제어하는 제6단계와, 상기 제5단계의 판단 결과, 상기 압축기 회전수가 압축기 최대회전수의 상한치 보다 작지 않으면, 상기 목표토출온도가 차실내 공기토출온도 보다 높은지를 판단하는 제7단계와, 상기 제7단계의 판단 결과, 상기 목표토출온도가 차실내 공기토출온도 보다 높으면, 상기 압축기의 작동을 유지한 상태에서 전기가열식히터를 작동 제어하는 제8단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 냉매순환라인상에 각각 연결되는 것으로, 냉매를 압축하여 배출하는 압축기와, 공조케이스의 내부에 배치되는 증발기 및 실내열교환기와, 공조케이스의 외부에 배치되는 실외열교환기를 포함하며, 상기 공조케이스의 내부에 전기가열식히터가 구비되어 이루어진 차량용 히트 펌프 시스템에 있어서, 차량의 각종 센서값을 수신받아 목표토출온도를 연산하여 상기 히트 펌프 시스템을 제어하는 제어부를 구비하고, 상기 제어부는, 히트펌프 모드시, 상기 목표토출온도와 차실내 공기토출온도의 편차에 따라 연산된 압축기 회전수가 압축기 최대회전수의 상한치 보다 작으면, 상기 편차에 따른 압축기 회전수로 상기 압축기를 가변 제어하고, 상기 압축기 회전수가 압축기 최대회전수의 상한치와 같거나 크고, 상기 목표토출온도가 차실내 공기토출온도 보다 높을 경우, 상기 압축기 작동을 유지한 상태에서 상기 전기가열식히터를 작동 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 히트펌프 모드시 목표토출온도를 만족하기 위해, 압축기 회전수가 압축기 최대회전수의 상한치 보다 작을 경우에는 압축기만 가변 제어하고, 압축기 회전수가 압축기 최대회전수의 상한치에 도달했을 경우에만 전기가열식히터까지 작동시키도록 함으로써, 목표토출온도를 만족하기 위해 압축기와 전기가열식히터를 동시에 가변제어 할 경우 발생하는 차실내 공기토출온도의 수렴성이 떨어지거나 불안정해지는 문제를 해결할 수 있다.
또한, 최대 난방모드시 압축기를 최대회전수로만 작동시키지 않고 압축기 최대회전수의 상한치를 조건에 따라 차별화함으로써, 압축기의 소음에 의한 탑승자의 불만을 줄임은 물론 압축기의 내구성 및 시스템의 안정성을 향상할 수 있다.
그리고, 외기온도, 냉매압력, 차량속도, 블로어 풍량, 실외열교환기의 냉각팬 회전수, 주행구동원 온/오프 조건에 따른 각 인자별 압축기 최대회전수의 상한치 중 최소값을 압축기 최대회전수의 상한치로 설정하여 제어함으로써, 가변적인 외부조건을 고려한 복합적인 별도의 연산이 필요없다.
도 1은 종래의 차량용 히트 펌프 시스템을 나타내는 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템에서 에어컨 모드를 나타내는 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템에서 히트펌프 모드의 제1난방모드를 나타내는 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템에서 히트펌프 모드의 제2난방모드를 나타내는 구성도,
도 5는 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템의 제어방법을 나타내는 순서도,
도 6은 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템의 제어방법에서 전기가열식히터의 작동 제어방법을 나타내는 순서도이다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템은, 냉매순환라인(R)상에 압축기(100)와, 실내열교환기(110)와, 제2팽창수단(120)과, 실외열교환기(130)와, 제1팽창수단(140)과, 증발기(160)가 순차적으로 연결되어 구성되는 것으로서, 전기자동차 또는 하이브리드 자동차에 적용되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 냉매순환라인(R)상에는 제1팽창수단(140) 및 증발기(160)를 바이패스하는 제1바이패스라인(R1)과, 실외열교환기(130)를 바이패스하는 제2바이패스라인(R2)과, 제2팽창수단(120)이 설치되는 팽창라인(R3)이 각각 병렬로 연결 설치되며, 상기 제1바이패스라인(R1)의 분기지점에는 제1방향전환밸브(191)가 설치되고, 상기 제2바이패스라인(R2)의 분기지점에는 제2방향전환밸브(192)가 설치되며, 상기 팽창라인(R3)의 분기지점에는 상기 제3방향전환밸브(193)가 설치된다.
아울러, 상기 제1팽창수단(140)의 출구측 냉매 순환라인(R)과 상기 제1바이패스라인(R1)을 연결하도록 분기라인(R4)이 설치되고, 상기 분기라인(R4)상에는 온오프 밸브(195)가 설치된다.
따라서, 에어컨 모드시에는, 도 2와 같이 상기 압축기(100)에서 배출된 냉매가 실내열교환기(110), 실외열교환기(130), 제1팽창수단(140), 증발기(160), 압축기(100)를 순차적으로 순환하게 되며, 이때, 상기 실내열교환기(110)는 응축기 역할을 수행하고 상기 증발기(160)는 증발기 역할을 수행하게 된다.
한편, 상기 실외열교환기(130)는 상기 실내열교환기(110)와 같은 응축기 역할을 하게 된다.
히트펌프 모드시(제1난방모드시)에는, 도 3과 같이 상기 압축기(100)에서 배출된 냉매가 실내열교환기(110), 제2팽창수단(120), 실외열교환기(130), 제1바이패스라인(R1), 압축기(100)를 순차적으로 순환하게 되며, 이때, 상기 실내열교환기(110)는 응축기 역할을 수행하고 상기 실외열교환기(130)는 증발기 역할을 수행하며, 상기 제1팽창수단(140) 및 증발기(160)로는 냉매 공급이 되지 않는다.
이처럼, 본 발명의 히트펌프 시스템은, 에어컨 모드 및 히트펌프 모드시 냉매 순환방향이 동일하여 냉매순환라인(R)을 공용화할 수 있고, 냉매가 흐르지 않을 때 발생하는 냉매 정체현상을 방지하며, 냉매순환라인(R)도 단순화 할 수 있다.
그리고, 본 발명에서는, 상기 히트펌프 모드를 제1난방모드, 제2난방모드와 같이 다양화하고 있는데,
이때, 실외온도가 기준온도 이상이면 히트펌프 모드 중 제1난방모드를 수행하고, 실외온도가 기준온도 미만이면 히트펌프 모드 중 제2난방모드를 수행하게 된다.
여기서, 실외온도가 0℃ 이상(영상)이면 제1난방모드를 수행하고, 실외온도가 0℃ 미만(영하)이면 제2난방모드를 수행한다.
물론, 상기 제1,2난방모드를 구분하는 실외온도의 기준온도가 0℃로 한정 되는 것은 아니고, 목적에 따라 변경 가능하다.
아울러, 한편, 상기 제1,2난방모드 작동 중 차실내를 제습하고자 할 때에는 상기 분기라인(R4)을 통해 증발기(160)측으로 일부 냉매를 공급하는 제습모드를 수행하게 된다.
이하, 히트 펌프 시스템의 각 구성요소별로 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 상기 냉매순환라인(R)상에 설치된 압축기(100)는 주행구동원(내연기관 또는 모터 등)으로부터 동력을 전달받아 구동하면서 냉매를 흡입하여 압축한 후 고온 고압의 기체 상태로 배출하게 된다.
상기 압축기(100)는, 에어컨 모드시 상기 증발기(160)측에서 배출된 냉매를 흡입,압축하여 실내열교환기(110)측으로 공급하게 되고, 히트펌프 모드시에는 상기 실외열교환기(130)측에서 배출되어 제1바이패스라인(R1)을 통과한 냉매를 흡입,압축하여 실내열교환기(110)측으로 공급하게 된다.
상기 실내열교환기(110)는, 공조케이스(150)의 내부에 설치됨과 아울러 상기 압축기(100)의 출구측 냉매순환라인(R)과 연결되어, 상기 공조케이스(150)내를 유동하는 공기와 상기 압축기(100)에서 배출된 냉매를 열교환시키게 된다.
또한, 상기 증발기(160)는, 공조케이스(150)의 내부에 설치됨과 아울러 상기 압축기(100)의 입구측 냉매순환라인(R)과 연결되어, 상기 공조케이스(150)내를 유동하는 공기와 상기 압축기(100)로 공급되는 냉매를 열교환시키게 된다.
상기 실내열교환기(110)는, 에어컨 모드 및 히트펌프 모드시 모두 응축기 역할을 하게 되고,
상기 증발기(160)는, 에어컨 모드시 증발기 역할을 하고, 히트펌프 모드시에는 냉매 공급이 되지 않아 작동 정지되게 된다.
또한, 상기 실내열교환기(110) 및 증발기(160)는, 상기 공조케이스(150)의 내부에 서로 일정간격 이격되어 설치되되, 상기 공조케이스(150)내의 공기유동방향 상류측에서부터 상기 증발기(160)와 실내열교환기(110)가 순차적으로 설치된다.
따라서, 상기 증발기(160)가 증발기 역할을 수행하는 에어컨 모드시에는 도 2와 같이, 상기 제1팽창수단(140)에서 배출된 저온 저압의 냉매가 상기 증발기(160)로 공급되고, 이때 블로어(미도시)를 통해 공조케이스(150)의 내부를 유동하는 공기가 상기 증발기(160)를 통과하는 과정에서 증발기(160) 내부의 저온 저압의 냉매와 열교환하여 냉풍으로 바뀐 뒤, 차량 실내로 토출되어 차실내를 냉방하게 된다.
상기 실내열교환기(110)가 응축기 역할을 수행하는 히트펌프 모드시(제1난방모드시)에는 도 3과 같이, 상기 압축기(100)에서 배출된 고온 고압의 냉매가 상기 실내열교환기(110)로 공급되고, 이때 블로어(미도시)를 통해 공조케이스(150)의 내부를 유동하는 공기가 상기 실내열교환기(110)를 통과하는 과정에서 실내열교환기(110) 내부의 고온 고압의 냉매와 열교환하여 온풍으로 바뀐 뒤, 차량 실내로 토출되어 차실내를 난방하게 된다.
한편, 상기 증발기(160)의 크기는, 상기 실내열교환기(110)의 크기 보다 더 큰 것이 바람직하다.
그리고, 상기 공조케이스(150)의 내부에서 상기 증발기(160)와 상기 실내열교환기(110)의 사이에는, 상기 실내열교환기(110)를 바이패스하는 공기의 양과 통과하는 공기의 양을 조절하는 온도조절도어(151)가 설치된다.
상기 온도조절도어(151)는, 상기 실내열교환기(110)를 바이패스하는 공기의 양과 실내열교환기(110)를 통과하는 공기의 양을 조절하여 상기 공조케이스(150)에서 토출되는 공기의 온도를 적절하게 조절할 수 있는데,
이때, 에어컨 모드시 도 2와 같이 상기 온도조절도어(151)를 통해 상기 실내열교환기(110)의 전방측 통로를 완전히 폐쇄하게 되면, 증발기(160)를 통과한 냉풍이 실내열교환기(110)를 바이패스하여 차실내로 공급되므로 최대 냉방이 수행되고, 히트펌프 모드시(제1난방모드시)에는 도 3과 같이 상기 온도조절도어(151)를 통해 상기 실내열교환기(110)를 바이패스하는 통로를 완전히 폐쇄하게 되면, 모든 공기가 응축기 역할을 하는 실내열교환기(110)를 통과하면서 온풍으로 바뀌게 되고 이 온풍이 차실내로 공급되므로 최대 난방이 수행된다.
그리고, 상기 실외열교환기(130)는, 상기 공조케이스(150)의 외부에 설치됨과 아울러 상기 냉매순환라인(R)과 연결되어, 상기 냉매순환라인(R)을 순환하는 냉매와 실외공기를 열교환시키게 된다.
여기서, 상기 실외열교환기(130)는 차량 엔진룸의 전방측에 설치되어 내부를 유동하는 냉매를 실외공기와 열교환시키게 된다.
상기 실외열교환기(130)는, 에어컨 모드시 상기 실내열교환기(110)와 동일한 응축기 역할을 하게 되며, 이때 실외열교환기(130)의 내부를 유동하는 고온 냉매가 실외공기와 열교환하게 되면서 응축되게 된다. 히트펌프 모드시(제1난방모드시)에는 상기 실내열교환기(110)와 상반되는 증발기 역할을 하게 되는데, 이때 실외열교환기(130)의 내부를 유동하는 저온 냉매가 실외공기와 열교환하게 되면서 증발하게 된다.
그리고, 상기 제1팽창수단(140)은, 상기 증발기(160)의 입구측 냉매순환라인(R)상에 설치되어, 증발기(160)로 공급되는 냉매를 팽창시키게 된다.
즉, 상기 제1팽창수단(140)은, 에어컨 모드시 상기 실외열교환기(130)에서 배출된 냉매를 팽창시켜 저온 저압의 액상(습포화) 상태가 되게 한 후, 상기 증발기(160)로 공급하게 된다.
상기 제1팽창수단(140)으로는 팽창밸브로 이루어지는 것이 바람직하나 오리피스로 이루어질 수도 있다.
그리고, 상기 제2팽창수단(120)은, 상기 실내열교환기(110)와 실외열교환기(130) 사이의 냉매순환라인(R)상에 설치되어, 에어컨 모드 또는 히트펌프 모드에 따라 상기 실외열교환기(130)로 공급되는 냉매를 선택적으로 팽창시키게 된다.
상기 제2팽창수단(120)은, 상기 실내열교환기(110)와 실외열교환기(130) 사이의 냉매순환라인(R)상에 병렬로 연결된 팽창라인(R3)상에 설치된다.
여기서, 상기 제2팽창수단(120)은, 오리피스(121)로 이루어지는 것이 바람직하나 팽창밸브로 이루어질 수도 있다.
또한, 상기 팽창라인(R3)과 상기 냉매순환라인(R)의 분기지점에는 에어컨 모드 또는 히트펌프 모드에 따라 상기 실내열교환기(110)를 통과한 냉매가 상기 팽창라인(R3)을 통해 제2팽창수단(120)을 통과하거나 또는 제2팽창수단(120)을 바이패스하도록 냉매 흐름방향을 전환하는 제3방향전환밸브(193)가 설치된다.
따라서, 에어컨 모드시에는, 상기 제3방향전환밸브(193)에 의해 상기 압축기(100)에서 배출되어 상기 실내열교환기(110)를 통과한 냉매가 상기 제2팽창수단(120)을 바이패스하여 실외열교환기(130)로 공급되고, 히트펌프 모드시(제1난방모드시)에는, 상기 제3방향전환밸브(193)에 의해 상기 압축기(100)에서 배출되어 상기 실내열교환기(110)를 통과한 냉매가 상기 팽창라인(R3) 및 제2팽창수단(120)을 통과하면서 팽창된 후 상기 실외열교환기(130)로 공급되게 된다.
그리고, 상기 제1바이패스라인(R1)은, 상기 제1팽창수단(140)의 입구측 냉매순환라인(R)과 상기 증발기(160)의 출구측 냉매순환라인(R)을 연결하도록 설치되어, 냉매순환라인(R)을 순환하는 냉매가 상기 제1팽창수단(140) 및 증발기(160)를 선택적으로 바이패스하도록 하게 된다.
도면에서와 같이, 상기 제1바이패스라인(R1)은 상기 제1팽창수단(140) 및 증발기(160)와 병렬로 배치되는데, 즉, 상기 제1바이패스라인(R1)의 입구측은 상기 실외열교환기(130)와 제1팽창수단(140)을 연결하는 냉매순환라인(R)과 연결되고, 출구측은 상기 증발기(160)와 압축기(100)를 연결하는 냉매순환라인(R)과 연결된다.
이로인해, 에어컨 모드시에는 상기 실외열교환기(130)를 통과한 냉매가 상기 제1팽창수단(140) 및 증발기(160)측으로 유동하게 되지만, 히트펌프 모드시(제1난방모드시)에는 상기 실외열교환기(130)를 통과한 냉매가 상기 제1바이패스라인(R1)을 통해 압축기(100)측으로 곧바로 유동하여 상기 제1팽창수단(140) 및 증발기(160)를 바이패스 하게 된다.
여기서, 에어컨 모드 및 히트펌프 모드에 따라 냉매의 흐름방향을 전환하는 역할은 제1방향전환밸브(191)를 통해 이루어진다.
상기 제1방향전환밸브(191)는, 상기 제1바이패스라인(R1)과 상기 냉매순환라인(R)의 분기지점에 설치되어, 에어컨 모드 또는 히트펌프 모드에 따라 상기 실외열교환기(130)를 통과한 냉매가 상기 제1바이패스라인(R1) 또는 상기 제1팽창수단(140)으로 흐르도록 냉매 흐름방향을 전환하게 된다.
이때, 제1방향전환밸브(191)는, 에어컨 모드시 상기 압축기(100)에서 배출되어 실내열교환기(110)와 실외열교환기(130)를 통과한 냉매가 상기 제1팽창수단(140) 및 증발기(160)측으로 흐르도록 방향을 전환하게 되고, 히트펌프 모드시(제1난방모드시) 상기 압축기(100)에서 배출되어 실내열교환기(110)와 제2팽창수단(120) 및 실외열교환기(130)를 통과한 냉매가 상기 제1바이패스라인(R1)으로 흐르도록 방향을 전환하게 된다.
한편, 상기 제1방향전환밸브(191)는 상기 제1바이패스라인(R1)의 입구측 분기지점에 설치되며, 3방밸브를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 제1방향전환밸브(191) 뿐만아니라 제2방향전환밸브(192)와 제3방향전환밸브(193)도 3방밸브를 사용하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 냉매순환라인(R)에는 상기 제2팽창수단(120)을 선택적으로 통과한 냉매가 상기 실외열교환기(130)를 바이패스하도록 제2바이패스라인(R2)이 병렬로 설치되는데, 즉, 상기 제2바이패스라인(R2)은 상기 실외열교환기(130)의 입,출구측 냉매순환라인(R)을 연결하도록 설치되어, 냉매순환라인(R)을 순환하는 냉매가 실외열교환기(130)를 바이패스하도록 하게 된다.
또한, 상기 제2바이패스라인(R2)과 상기 냉매순환라인(R)의 분기지점에는 실외온도에 따라 상기 실외열교환기(130) 또는 제2바이패스라인(R2)으로 냉매가 흐르도록 냉매의 흐름방향을 전환하는 제2방향전환밸브(192)가 설치된다.
이때, 실외온도가 영상일 경우에는 상기 제2방향전환밸브(192)의 제어를 통해 냉매가 상기 실외열교환기(130)측으로 흐르도록 제어되고, 실외온도가 영하일 경우에는 상기 제2방향전환밸브(192)의 제어를 통해 냉매가 상기 실외열교환기(130)를 바이패스하여 상기 제2바이패스라인(R2)측으로 흐르도록 제어된다.
다시말해, 실외온도가 영하인 저열원 조건에서, 저온의 실외공기 영향을 최소화 할 수 있도록 도 4의 제2난방모드와 같이, 상기 제2팽창수단(120)을 통과한 냉매가 상기 실외열교환기(130)를 바이패스하여 제2바이패스라인(R2)측으로 흐르도록 하게 된다.
그리고, 상기 공조케이스(150) 내부의 실내열교환기(110) 하류측에는 난방성능을 향상할 수 있도록 전기 가열식 히터(115)가 더 설치된다.
상기 전기 가열식 히터(115)로는 PTC히터를 사용하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 제1바이패스라인(R1)상에는 제1바이패스라인(R1)을 따라 흐르는 냉매에 열을 공급하는 열공급수단(180)이 설치된다.
상기 열공급수단(180)은, 차량 전장품(200)의 폐열을 상기 제1바이패스라인(R1)을 흐르는 냉매에 공급할 수 있도록, 상기 제1바이패스라인(R1)을 흐르는 냉매가 유동하는 냉매 열교환부(181a)와, 상기 냉매 열교환부(181a)의 일측에 열교환 가능하게 구비되어 상기 차량 전장품(200)을 순환하는 냉각수가 유동하는 냉각수 열교환부(181b)로 구성된 수냉식 열교환기(181)를 설치하여 이루어진다.
따라서, 히트펌프 모드시 차량 전장품(200)의 폐열로 부터 열원을 회수함으로써 난방성능을 향상시킬 수 있는 것이다.
한편, 상기 차량 전장품(200)으로는 대표적으로 모터와, 인버터 등이 있다.
그리고, 상기 제1바이패스라인(R1)을 따라 열공급수단(180)측으로 유동하는 냉매 일부를 상기 증발기(160)측으로 공급하도록, 상기 열공급수단(180)의 입구측 제1바이패스라인(R1)과 상기 증발기(160)의 입구측 냉매순환라인(R)을 연결하는 분기라인(R4)이 설치되고, 상기 분기라인(R4)상에는 냉매 유동을 온오프 제어하는 온오프 밸브(195)가 설치된다.
상기 온오프 밸브(195)는 차실내 제습이 필요한 경우, 즉 제습모드시 개방됨으로써, 상기 제1방향전환밸브(191)에 의해 제1바이패스라인(R1)측으로 흐르는 냉매 중 일부는 수냉식 열교환기(181)를 통과하면서 차량 전장품(200)의 폐열을 회수하고, 일부는 상기 분기라인(R4)을 통해 증발기(160)를 통과하면서 제습하게 된다.
이로인해, 상기 공조케이스(150)의 내부를 유동하는 공기가 상기 증발기(160)를 통과하면서 제습이 이루어지게 되고, 다시말해 제1,2난방모드와 같은 히트펌프 모드 작동 중에도 상기 분기라인(R4)을 통해 증발기(160)로 일부 냉매를 공급하여 차실내 제습을 수행할 수 있는 것이다.
한편, 실외온도가 영하인 조건에서 작동하는 제2난방모드시에는 실내공기의 열원을 회수하여 난방성능을 향상할 수 있도록, 공조케이스(150)의 공기유입모드를 내기유입모드로 작동시켜 상기 공조케이스(150)내로 내기가 유입되도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 압축기(100)의 입구측 냉매순환라인(R)상에는 어큐뮬레이터(170)가 설치된다.
상기 어큐뮬레이터(170)는 상기 압축기(100)로 공급되는 냉매 중에서 액상 냉매와 기상 냉매를 분리하여 압축기(100)로 기상 냉매만 공급될 수 있도록 하게 된다.
그리고, 본 발명의 히트 펌프 시스템을 제어하도록 제어부(300)가 구비되는데, 상기 제어부(300)는, 차량의 각종 센서값을 수신받아 목표토출온도를 연산하여 상기 히트 펌프 시스템을 제어하게 된다.
상기 각종 센서로는, 외기센서, 내기센서, 일사량센서, 차량속도센서, 증발기 센서, 공기토출온도 센서, 냉각수 온도센서 등이 있으며, 각 센서로부터 감지된 값이 상기 제어부(300)로 전달된다.
청구범위에서는 상기 제어부(300)가 각종 센서값을 수신받는 다고 기재하였으나, 실제 센서값 뿐만 아니라 각종 차량정보 및 탑승자 선택값(설정온도, 모드선택 등)까지 모두 포함하여 수신하는 것이 바람직하다.
상기 제어부(300)는, 히트펌프 모드시, 상기 목표토출온도와 차실내 공기토출온도의 편차에 따라 연산된 압축기(100) 회전수가 압축기(100) 최대회전수의 상한치 보다 작으면, 상기 편차에 따른 압축기(100) 회전수로 상기 압축기(100)를 가변 제어(자동제어)하고,
상기 압축기(100) 회전수가 압축기(100) 최대회전수의 상한치와 같거나 크고, 상기 목표토출온도가 차실내 공기토출온도 보다 높을 경우, 상기 압축기(100)의 작동을 유지한 상태에서 상기 전기가열식히터(115)를 작동 제어하게 된다.
여기서, 상기 압축기(100) 최대회전수의 상한치는, 외기온도, 냉매압력, 차량속도, 블로어(152) 풍량, 실외열교환기(130)의 냉각팬 회전수, 주행구동원 온/오프 조건에 따른 각 인자별 압축기(100) 최대회전수의 상한치 중 최소값이다.
즉, 상기 압축기(100) 최대회전수의 상한치를 상기 각 인자별 압축기(100) 최대회전수의 상한치로 설정하는것이 아니라, 상기 각 인자별 압축기(100) 최대회전수의 상한치 중 최소값으로 설정함으로써, 히트펌프 모드시 최대난방이 필요한 경우에도 압축기(100)의 작동 소음을 줄일 수 있고 이로인한 탑승자의 불만도 줄일 수 있으며. 이때의 난방 부족분에 대해서는 전기가열식히터(115)를 작동시키도록 한 것이다.
아울러, 상기 압축기(100) 최대회전수의 상한치를 상기 각 인자별 압축기(100) 최대회전수의 상한치 중 최소값으로 설정하게 되면, 상기 압축기(100)의 회전수가 제한되므로 압축기(100)의 토출 압력의 상승을 억제하고 압축기(100)의 내구성을 향상할 수 있으며, 히트 펌프 시스템의 안정성도 향상할 수 있다.
한편, 상기 냉매압력은, 상기 압축기(100)의 토출 냉매압력이다.
그리고, 상기 압축기(100) 최대회전수의 상한치는 다음의 연산식으로 이루어진다.
압축기(100) 최대회전수의 상한치 = Min(외기온도에 따른 압축기 최대회전수의 상한치, 냉매압력에 따른 압축기 최대회전수의 상한치, 차량속도에 따른 압축기 최대회전수의 상한치, 블로어 풍량에 따른 압축기 최대회전수의 상한치, 실외열교환기의 냉각팬 회전수에 따른 압축기 최대회전수의 상한치, 주행구동원 온/오프에 따른 압축기 최대회전수의 상한치)
단, 상기 압축기(100) 최대회전수의 상한치 연산시, 외기온도, 냉매압력, 차량속도, 블로어(152) 풍량, 실외열교환기(130)의 냉각팬 회전수, 주행구동원 온/오프 인자 중 신호가 없는 경우에는 해당 인자만 상기 연산식에서 제외한다.
또한, 상기 제어부(300)는, 상기 압축기(100)의 작동 유지시, 상기 압축기(100) 회전수를 상기에서 연산한 압축기(100) 최대회전수의 상한치로 유지하는 것이 바람직하다. 즉, 차량 상태(냉매압력, 차량속도, 블로어(152) 풍량, 실외열교환기(130)의 냉각팬 회전수, 주행구동원 온/오프)에 따라 압축기(100) 최대회전수의 상한치를 차별화함으로써, 히트펌프 모드시 압축기(100) 작동에 따른 탑승자의 소음에 대한 불만을 줄일 수 있는 것이다.
아울러, 상기 제어부(300)는, 히트펌프 모드시 상기 압축기(100) 회전수가 압축기(100) 최대회전수의 상한치와 같거나 크고, 상기 목표토출온도가 차실내 공기토출온도 보다 높을 경우에만 상기 압축기(100) 회전수를 압축기(100) 최대회전수의 상한치로 유지하여 작동하는 상태에서 상기 전기가열식히터(115)를 작동 제어하게 되는데, 이때 상기 전기가열식히터(115)의 작동 제어시, 상기 목표토출온도와 차실내 공기토출온도의 편차에 따른 전기가열식히터(115)의 발열량을 연산하여 전기가열식히터(115)를 가변 제어(자동제어)하게 된다.
즉, 상기 전기가열식히터(115)에 공급되는 전압의 듀티비를 연산 제어함으로써, 상기 전기가열식히터(115)의 발열량을 가변 제어할 수 있다. 이때, 상기에서 전기가열식히터(115)의 제어를 통해 목표토출온도에 도달하는 등 상기 전기가열식히터(115)를 오프할 조건이 되면, 상기 전기가열식히터(115)만 오프하고, 상기 전기가열식히터(115)가 오프된 이후에는 상기 압축기(100)의 회전수를 가변 제어하게 된다.
한편, 에어컨 모드시에는, 상기 증발기(160) 목표온도와 증발기(160) 온도의 편차에 따른 상기 압축기(100) 회전수를 연산하여 압축기(100)를 가변 제어(자동제어)하게 된다.
이처럼, 본 발명은, 히트펌프 모드시, 상기 압축기(100)의 회전수가 압축기(100) 최대회전수의 상한치에 도달했을 경우에만 상기 전기가열식히터(115)를 작동시키도록 제어함으로써, 목표토출온도를 만족하기 위해 압축기(100)와 전기가열식히터(115)를 동시에 가변제어 할 경우 발생하는 차실내 공기토출온도의 수렴성이 떨어지거나 불안정해지는 문제를 해결할 수 있다.
이하, 도 5 및 도 6을 참조하여 상기 차량용 히트 펌프 시스템의 제어방법을 설명하기로 한다.
먼저, 차량의 각종 센서값을 수신받아 목표토출온도를 연산하는 제1단계(S1)를 진행한다.
상기 각종 센서로는, 외기센서, 내기센서, 일사량센서, 차량속도센서, 증발기 센서, 공기토출온도 센서, 냉각수 온도센서 등이 있으며, 각 센서로부터 감지된 값이 상기 제어부(300)로 전달된다.
이때, 상기 제어부(300)는 상기 각종 센서와 같은 실제 센서값 뿐만 아니라 각종 차량정보 및 탑승자 선택값(설정온도, 모드선택 등)까지 모두 포함하여 수신한 후, 목표토출온도를 연산하는 것이 바람직하다.
상기 제1단계(S1)를 거친 후, 상기 목표토출온도 또는 탑승자 선택에 따라 에어컨 모드인지 히트펌프 모드인지를 판단하는 제2단계(S2)를 진행한다.
상기 제2단계(S2)의 판단결과, 히트펌프 모드이면, 상기 목표토출온도와 차실내 공기토출온도간에 편차를 연산하는 제3단계(S3)를 진행한다.
이때, 상기 차실내 공기토출온도는, 상기 공조케이스(150)에서 토출된 공기를 차실내로 공급하기 위해 차실내측에 형성된 토출구에 온도센서(미도시)를 설치하여 공기토출온도를 감지하게 된다.
계속해서, 상기 제3단계(S3)를 거친 후, 상기 제3단계(S3)의 편차에 따른 압축기(100) 회전수를 연산하는 제4단계(S4)를 진행하고,
상기 제4단계(S4)를 거친 후, 상기 압축기(100) 회전수가 압축기(100) 최대회전수의 상한치 보다 작은지를 판단하는 제5단계(S5)를 진행한다.
여기서, 상기 압축기(100) 최대회전수의 상한치는, 차량의 각종 인자별 압축기(100) 최대회전수의 상한치 중 최소값으로 설정된다.
즉, 차량에 설치된 각종 센서로부터 감지된 각종 인자별 압축기(100) 최대회전수의 상한치 중 최소값으로 설정되는 것이다.
상기 인자로는 차량의 소음 발생 인자와, 히트 펌프 시스템의 보호 인자가 있다.
상기 차량의 소음 발생 인자로는, 차량속도, 블로어(152) 풍량, 실외열교환기(130)의 냉각팬 회전수, 주행구동원 온/오프가 있다.
즉, 상기 차량속도, 블로어(152) 풍량, 냉각팬 회전수가 높거나 상기 주행구동원이 온 상태일 경우에는 상기 인자들의 소음 때문에 상기 압축기(100)의 작동 소음이 상대적으로 작게 들리므로 탑승자의 불만이 없으나,
상기 차량속도, 블로어(152) 풍량, 냉각팬 회전수가 낮거나 상기 주행구동원이 오프 상태일 경우에는 상기 인자들의 소음 보다 상기 압축기(100)의 작동 소음이 상대적으로 크게 들리므로 탑승자의 불만이 발생할 수 있다.
따라서, 상기 압축기(100) 최대회전수의 상한치를 차량의 소음 발생 인자별 압축기(100) 최대회전수의 상한치 중 최소값으로 설정함으로써, 압축기(100)의 작동 소음을 줄이고 탑승자의 불만도 줄일 수 있는 것이다.
한편, 상기 히트 펌프 시스템의 보호 인자로는, 외기온도, 냉매압력(압축기의 토출 냉매압력)이 있다.
이와 같이, 상기 압축기(100) 최대회전수의 상한치는, 외기온도, 냉매압력, 차량속도, 블로어(152) 풍량, 실외열교환기(130)의 냉각팬 회전수, 주행구동원 온/오프 조건에 따른 각 인자별 압축기(100) 최대회전수의 상한치 중 최소값이다.
즉, 상기 압축기(100) 최대회전수의 상한치를 상기 각 인자별 압축기(100) 최대회전수의 상한치로 설정하는것이 아니라, 각 인자별 압축기(100) 최대회전수의 상한치 중 최소값으로 설정함으로써, 히트펌프 모드시 최대난방이 필요한 경우에도 압축기(100)의 회전수를 제한하여 압축기(100)의 작동 소음을 줄이고 내구성도 향상하여 이로인한 탑승자의 불만을 줄일 수 있으며. 이때의 난방 부족분에 대해서는 후술하는 단계에서 전기가열식히터(115)를 작동시키도록 한 것이다.
한편, 상기 압축기(100) 최대회전수의 상한치는 다음의 연산식으로 이루어진다.
압축기(100) 최대회전수의 상한치 = Min(외기온도에 따른 압축기 최대회전수의 상한치, 냉매압력에 따른 압축기 최대회전수의 상한치, 차량속도에 따른 압축기 최대회전수의 상한치, 블로어 풍량에 따른 압축기 최대회전수의 상한치, 실외열교환기의 냉각팬 회전수에 따른 압축기 최대회전수의 상한치, 주행구동원 온/오프에 따른 압축기 최대회전수의 상한치)
단, 상기 압축기(100) 최대회전수의 상한치 연산시, 외기온도, 냉매압력, 차량속도, 블로어(152) 풍량, 실외열교환기(130)의 냉각팬 회전수, 주행구동원 온/오프 인자 중 신호가 없는 경우에는 해당 인자만 상기 연산식에서 제외한다.
계속해서, 상기 제5단계(S5)의 판단 결과, 상기 압축기(100) 회전수가 압축기(100) 최대회전수의 상한치 보다 작으면, 상기 제4단계(S4)에서 연산된 편차에 따른 압축기(100) 회전수로 상기 압축기(100)를 가변 제어(자동제어)하는 제6단계(S6)를 진행한다.
즉, 히트펌프 모드시, 상기 압축기(100) 회전수를 압축기(100) 최대회전수의 상한치로 작동할 필요가 없는 조건에서는, 상기 목표토출온도와 공기토출온도의 편차에 따른 압축기(100) 회전수로 상기 압축기(100)만 가변 제어(자동제어)하여 난방하게 되며, 상기 전기가열식히터(115)는 작동하지 않는다.
상기 제5단계(S5)의 판단 결과, 상기 압축기(100) 회전수가 압축기(100) 최대회전수의 상한치 보다 작지 않으면, 즉, 상기 압축기(100) 회전수가 압축기(100) 최대회전수의 상한치와 같거나 크면, 상기 목표토출온도가 차실내 공기토출온도 보다 높은지를 판단하는 제7단계(S7)를 진행한다.
상기 제7단계(S7)에서는 상기 목표토출온도가 차실내 공기토출온도 보다 높은지를 판단하게 되는데, 이때 상기 목표토출온도가 공기토출온도+소정치 보다 높은지를 판단하도록 할 수도 있다.
상기 제7단계(S7)의 판단 결과, 상기 목표토출온도가 차실내 공기토출온도 보다 높으면, 상기 압축기(100)의 작동을 유지한 상태에서 전기가열식히터(115)를 작동 제어하는 제8단계(S8)를 진행한다.
즉, 히트펌프 모드시, 상기 압축기(100) 회전수가 압축기(100) 최대회전수의 상한치에 도달했을 경우에만 상기 전기가열식히터(115)까지 작동시켜 자동제어하도록 하는 것이다.
이때, 상기 압축기(100)의 작동 유지시에는, 상기 압축기(100) 회전수를 압축기(100) 최대회전수의 상한치로 유지하는 것이 바람직하다.
여기서, 도 6을 참조하여 상기 제8단계(S8)의 전기가열식히터(115)의 작동 제어를 상세히 설명하면, 상기 전기가열식히터(115)의 작동 제어시에는, 상기 압축기(100) 회전수를 압축기(100) 최대회전수의 상한치로 유지하는 제8-1단계(S8-1)를 진행한다.
즉, 상기 압축기(100) 회전수를 상기에서 연산한 압축기(100) 최대회전수의 상한치로 계속 작동 유지하는 것이다.
상기 제8-1단계(S8-1)를 거친 후에는, 상기 목표토출온도와 차실내 공기토출온도의 편차에 따른 상기 전기가열식히터(115)의 발열량을 연산하여 전기가열식히터(115)를 가변 제어(자동제어)하는 제8-2단계(S8-2)를 진행한다.
즉, 상기 전기가열식히터(115)에 공급되는 전압의 듀티비를 연산 제어함으로써, 상기 전기가열식히터(115)의 발열량을 가변 제어할 수 있다.
계속해서, 상기 제8-2단계(S8-2)를 거친 후, 상기 전기가열식히터(115)를 오프할 조건인지를 판단하는 제8-3단계(S8-3)를 진행한다.
즉, 상기에서 전기가열식히터(115)의 가변 제어(자동제어)를 통해 목표토출온도에 도달하는 등 상기 전기가열식히터(115)를 오프할 조건이 되었는지를 판단하는 것이다.
상기 제8-3단계(S8-3)의 판단 결과, 상기 전기가열식히터(115)를 오프할 조건이면, 상기 전기가열식히터(115)만 오프하는 제8-4단계(S8-4)를 진행한다.
상기 제8-4단계(S8-4)를 진행하여 상기 전기가열식히터(115)만 오프한 후에는 상기 압축기(100)의 회전수를 가변 제어하게 된다.
상기 제8-4단계(S8-4)를 진행한 후에는 도 5의 시작 위치로 리턴하게 된다.
한편, 상기 제7단계(S7)의 판단 결과, 상기 목표토출온도가 차실내 공기토출온도 보다 높지 않으면, 상기 전기가열식히터(115)를 오프 상태로 유지하게 된다.
그리고, 상기 제2단계(S2)의 판단결과, 에어컨 모드이면, 증발기(160)의 목표온도를 연산하는 제9단계(S9)를 진행하고,
상기 제9단계(S9)를 거친 후, 상기 증발기(160)의 목표온도와 증발기(160) 온도간에 편차를 연산하는 제10단계(S10)를 진행한다.
상기 증발기(160)의 온도는 상기 증발기(160)측에 온도센서를 설치하여 증발기(160)의 표면온도를 감지하게 된다.
상기 제10단계(S10)를 거친 후, 상기 제10단계(S10)의 편차에 따른 압축기(100) 회전수를 연산하여 압축기(100)를 가변 제어(자동제어)하는 제11단계(S11)를 진행한다.
이하, 본 발명에 따른 차량용 히트 펌프 시스템의 작용을 설명하기로 하며, 편의상 에어컨 모드와, 히트펌프 모드의 제1,2난방모드에 대해서만 설명하기로 한다.
가. 에어컨 모드(냉방 모드)(도 2)
에어컨 모드(냉방 모드)시에는, 도 2와 같이, 상기 제1방향전환밸브(191)를 통해 상기 제1바이패스라인(R1)이 폐쇄되고, 상기 제2방향전환밸브(192)를 통해 제2바이패스라인(R2)도 폐쇄되며, 상기 제3방향전환밸브(193)는 팽창라인(R3)을 폐쇄하게 된다.
또한, 상기 열공급수단(180)의 수냉식 열교환기(181)로는 전장품(200)을 순환하는 냉각수가 공급되지 않는다.
한편, 최대 냉방시에는 상기 공조케이스(150)내의 온도조절도어(151)가 실내열교환기(110)를 통과하는 통로를 폐쇄하도록 작동하여, 블로어에 의해 공조케이스(150)내로 송풍된 공기가 상기 증발기(160)를 통과하면서 냉각된 후 실내열교환기(110)를 바이패스 하여 차실내로 공급됨으로써, 차실내를 냉방하게 된다.
계속해서, 냉매 순환과정을 설명하면,
상기 압축기(100)에서 압축된 후 배출되는 고온 고압의 기상 냉매는 상기 공조케이스(150)의 내부에 설치된 상기 실내열교환기(110)로 공급된다.
상기 실내열교환기(110)로 공급된 냉매는, 도 2와 같이 온도조절도어(151)가 실내열교환기(110)측 통로를 폐쇄하고 있으므로 공기와 열교환하지 않고 곧바로 상기 실외열교환기(130)로 유동하게 된다.
상기 실외열교환기(130)로 유동한 냉매는, 실외공기와 열교환하게 되면서 응축되며, 이로인해 기상 냉매가 액상 냉매로 바뀌게 된다.
한편, 상기 실내열교환기(110)와 실외열교환기(130)는 모두 응축기 역학을 하게 되지만, 실외공기와 열교환하는 상기 실외열교환기(130)에서 주로 냉매가 응축되게 된다.
계속해서, 상기 실외열교환기(130)를 통과한 냉매는, 상기 제1팽창수단(140)을 통과하는 과정에서 감압 팽창되어 저온 저압의 액상냉매가 된 후, 상기 증발기(160)로 유입된다.
상기 증발기(160)로 유입된 냉매는 블로어를 통해 공조케이스(150) 내부로 송풍되는 공기와 열교환하여 증발함과 동시에 냉매의 증발잠열에 의한 흡열작용으로 공기를 냉각하게 되며, 이처럼 냉각된 공기가 차량 실내로 공급되어 냉방하게 된다.
이후, 상기 증발기(160)에서 배출된 냉매는 상기 압축기(100)로 유입되면서 상술한 바와 같은 사이클을 재순환하게 된다.
나. 히트펌프 모드의 제1난방모드(도 3)
히트펌프 모드의 제1난방모드는, 실외온도가 영상인 조건에서 작동하며, 실외공기와 차량 전장품(200)의 폐열을 열원으로 이용하는 모드로서, 도 3과 같이, 상기 제1방향전환밸브(191)를 통해 상기 제1바이패스라인(R1)이 개방되어, 상기 제1팽창수단(140) 및 증발기(160)측으로는 냉매가 공급되지 않는다.
또한, 상기 제2방향전환밸브(192)를 통해 제2바이패스라인(R2)이 폐쇄되고, 상기 제3방향전환밸브(193)를 통해 상기 팽창라인(R3)이 개방된다.
한편, 차량 전장품(200)에 의해 가열된 냉각수가 상기 열공급수단(180)인 수냉식 열교환기(181)의 냉각수 열교환부(181b)로 공급되게 된다.
그리고, 제1난방모드시에는 상기 공조케이스(150)내의 온도조절도어(151)가 실내열교환기(110)를 바이패스하는 통로를 폐쇄하도록 작동하여, 블로어에 의해 공조케이스(150)내로 송풍된 공기가 상기 증발기(160)(작동정지)를 통과한 후 상기 실내열교환기(110)를 통과하면서 온풍으로 바뀌어 차실내로 공급됨으로서, 차실내를 난방하게 된다.
계속해서, 냉매 순환과정을 설명하면,
상기 압축기(100)에서 압축된 후 배출되는 고온 고압의 기상 냉매는 상기 공조케이스(150)의 내부에 설치된 실내열교환기(110)로 유입된다.
상기 실내열교환기(110)로 유입된 고온 고압의 기상 냉매는, 블로어를 통해 공조케이스(150)의 내부로 송풍되는 공기와 열교환하면서 응축되며, 이때 상기 실내열교환기(110)를 통과하는 공기는 온풍으로 바뀐 뒤, 차량 실내로 공급되어 차실내를 난방하게 된다.
계속해서, 상기 실내열교환기(110)에서 배출된 냉매는 상기 제3방향전환밸브(193)을 통해 팽창라인(R3)으로 유동하게 되고, 상기 팽창라인(R3)으로 유동하는 냉매는 상기 제2팽창수단(120)을 통과하는 과정에서 감압 팽창되어 저온 저압의 액상냉매가 된 후, 증발기 역할을 하는 실외열교환기(130)로 공급된다.
상기 실외열교환기(130)로 공급된 냉매는, 실외공기와 열교환하면서 증발한 후 상기 제1방향전환밸브(191)에 의해 제1바이패스라인(R1)을 통과하게 되는데, 이때 상기 제1바이패스라인(R1)을 통과하는 냉매는 상기 수냉식 열교환기(181)의 냉매 열교환부(181a)를 통과하는 과정에서 상기 냉각수 열교환부(181b)를 통과하는 냉각수와 열교환하여 차량 전장품(200)의 폐열을 회수한 후, 상기 압축기(100)로 유입되면서 상술한 바와 같은 사이클을 재순환하게 된다.
다. 히트펌프 모드의 제2난방모드(도 4)
히트펌프 모드의 제2난방모드는, 실외온도가 영하인 조건에서 작동하며, 실내공기(내기유입모드)와 차량 전장품(200)의 폐열을 열원으로 이용하는 모드로서, 도 4와 같이, 상기 제1방향전환밸브(191)를 통해 상기 제1바이패스라인(R1)이 개방되고, 상기 제2방향전환밸브(192)를 통해 상기 제2바이패스라인(R2)이 개방된다.
또한, 상기 온오프 밸브(195)를 통해 상기 분기라인(R4)이 폐쇄되고, 상기 제3방향전환밸브(193)를 통해 상기 팽창라인(R3)이 개방되며, 상기 공조케이스(150)내로 내기를 유입하도록 내기유입모드로 전환된다.
한편, 차량 전장품(200)에 의해 가열된 냉각수가 상기 열공급수단(180)인 수냉식 열교환기(181)의 냉각수 열교환부(181b)로 공급되게 된다.
그리고, 제2난방모드시에는 상기 공조케이스(150)내의 온도조절도어(151)가 실내열교환기(110)를 바이패스하는 통로를 폐쇄하도록 작동하여, 블로어에 의해 공조케이스(150)내로 송풍된 공기가 상기 증발기(160)(작동정지)를 통과한 후 상기 실내열교환기(110)를 통과하면서 온풍으로 바뀌어 차실내로 공급됨으로서, 차실내를 난방하게 된다.
계속해서, 냉매 순환과정을 설명하면,
상기 압축기(100)에서 압축된 후 배출되는 고온 고압의 기상 냉매는 상기 공조케이스(150)의 내부에 설치된 실내열교환기(110)로 유입된다.
상기 실내열교환기(110)로 유입된 고온 고압의 기상 냉매는, 블로어를 통해 공조케이스(150)의 내부로 송풍되는 공기와 열교환하면서 응축되며, 이때 상기 실내열교환기(110)를 통과하는 공기는 온풍으로 바뀐 뒤, 차량 실내로 공급되어 차실내를 난방하게 된다.
계속해서, 상기 실내열교환기(110)에서 배출된 냉매는 상기 제3방향전환밸브(193)을 통해 팽창라인(R3)으로 유동하게 되고, 상기 팽창라인(R3)으로 유동하는 냉매는 상기 제2팽창수단(120)을 통과하는 과정에서 감압 팽창되어 저온 저압의 액상냉매가 된 후, 상기 제2바이패스라인(R2)으로 유동하게 되면서 상기 실외열교환기(130)를 바이패스하게 된다.
이후, 상기 제2바이패스라인(R2)을 통과한 냉매는, 상기 제1방향전환밸브(191)에 의해 제1바이패스라인(R1)을 통과하게 되는데, 이때 상기 제1바이패스라인(R1)을 통과하는 냉매는 상기 수냉식 열교환기(181)의 냉매 열교환부(181a)를 통과하는 과정에서 상기 냉각수 열교환부(181b)를 통과하는 냉각수와 열교환하여 차량 전장품(200)의 폐열을 회수한 후, 상기 압축기(100)로 유입되면서 상술한 바와 같은 사이클을 재순환하게 된다.
100: 압축기 110: 실내열교환기
115: 전기가열식히터
120: 제2팽창수단 121: 오리피스
130: 실외열교환기 140: 제1팽창수단
150: 공조케이스 151: 온도조절도어
152: 블로어
160: 증발기 170: 어큐뮬레이터
180: 열공급수단 181: 수냉식 열교환기
181a: 냉매 열교환부 181b: 냉각수 열교환부
191: 제1방향전환밸브 192: 제2방향전환밸브
193: 제3방향전환밸브 195: 유량제어밸브
200: 전장품 300: 제어부
R: 냉매순환라인 R1: 제1바이패스라인
R2: 제2바이패스라인 R3: 팽창라인
R4: 분기라인

Claims (14)

  1. 차량용 히트 펌프 시스템의 제어방법에 있어서,
    차량의 각종 센서값을 수신받아 목표토출온도를 연산하는 제1단계(S1)와,
    상기 제1단계(S1)를 거친 후, 상기 목표토출온도 또는 탑승자 선택에 따라 에어컨 모드인지 히트펌프 모드인지를 판단하는 제2단계(S2)와,
    상기 제2단계(S2)의 판단결과, 히트펌프 모드이면, 상기 목표토출온도와 차실내 공기토출온도간에 편차를 연산하는 제3단계(S3)와,
    상기 제3단계(S3)를 거친 후, 상기 제3단계(S3)의 편차에 따른 압축기(100) 회전수를 연산하는 제4단계(S4)와,
    상기 제4단계(S4)를 거친 후, 상기 압축기(100) 회전수가 압축기(100) 최대회전수의 상한치 보다 작은지를 판단하는 제5단계(S5)와,
    상기 제5단계(S5)의 판단 결과, 상기 압축기(100) 회전수가 압축기(100) 최대회전수의 상한치 보다 작으면, 상기 제4단계(S4)에서 연산된 편차에 따른 압축기(100) 회전수로 상기 압축기(100)를 가변 제어하는 제6단계(S6)와,
    상기 제5단계(S5)의 판단 결과, 상기 압축기(100) 회전수가 압축기(100) 최대회전수의 상한치 보다 작지 않으면, 상기 목표토출온도가 차실내 공기토출온도 보다 높은지를 판단하는 제7단계(S7)와,
    상기 제7단계(S7)의 판단 결과, 상기 목표토출온도가 차실내 공기토출온도 보다 높으면, 상기 압축기(100)의 작동을 유지한 상태에서 전기가열식히터(115)를 작동 제어하는 제8단계(S8)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템의 제어방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 압축기(100) 최대회전수의 상한치는, 차량의 소음 발생 인자별 압축기(100) 최대회전수의 상한치 중 최소값인 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템의 제어방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 압축기(100) 최대회전수의 상한치는, 히트 펌프 시스템의 보호 인자별 압축기(100) 최대회전수의 상한치 중 최소값인 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템의 제어방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 차량의 소음 발생 인자는, 차량속도, 블로어(152) 풍량, 실외열교환기(130)의 냉각팬 회전수, 주행구동원 온/오프인 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템의 제어방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 히트 펌프 시스템의 보호 인자는, 외기온도, 냉매압력인 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템의 제어방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 압축기(100) 최대회전수의 상한치는, 외기온도, 냉매압력, 차량속도, 블로어 풍량, 실외열교환기의 냉각팬 회전수, 주행구동원 온/오프 조건에 따른 각 인자별 압축기(100) 최대회전수의 상한치 중 최소값인 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템의 제어방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제8단계(S8)는, 상기 압축기(100)의 작동 유지시, 상기 압축기(100) 회전수를 압축기(100) 최대회전수의 상한치로 유지하는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템의 제어방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제8단계(S8)에서 상기 전기가열식히터(115)의 작동 제어시,
    상기 압축기(100) 회전수를 압축기(100) 최대회전수의 상한치로 유지하는 제8-1단계(S8-1)와,
    상기 제8-1단계(S8-1)를 거친 후, 상기 목표토출온도와 차실내 공기토출온도의 편차에 따른 상기 전기가열식히터(115)의 발열량을 연산하여 전기가열식히터(115)를 가변 제어하는 제8-2단계(S8-2)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템의 제어방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제8-2단계(S8-2)를 거친 후, 상기 전기가열식히터(115)를 오프할 조건인지를 판단하는 제8-3단계(S8-3)와,
    상기 제8-3단계(S8-3)의 판단 결과, 상기 전기가열식히터(115)를 오프할 조건이면, 상기 전기가열식히터(115)만 오프하는 제8-4단계(S8-4)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템의 제어방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2단계(S2)의 판단결과, 에어컨 모드이면, 증발기(160)의 목표온도를 연산하는 제9단계(S9)와,
    상기 제9단계(S9)를 거친 후, 상기 증발기(160)의 목표온도와 증발기(160) 온도간에 편차를 연산하는 제10단계(S10)와,
    상기 제10단계(S10)를 거친 후, 상기 제10단계(S10)의 편차에 따른 압축기(100) 회전수를 연산하여 압축기(100)를 가변 제어하는 제11단계(S11)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템의 제어방법.
  11. 냉매순환라인상(R)에 각각 연결되는 것으로, 냉매를 압축하여 배출하는 압축기(100)와, 공조케이스(150)의 내부에 배치되는 증발기(160) 및 실내열교환기(110)와, 공조케이스(150)의 외부에 배치되는 실외열교환기(130)를 포함하며, 상기 공조케이스의 내부에 전기가열식히터(115)가 구비되어 이루어진 차량용 히트 펌프 시스템에 있어서,
    차량의 각종 센서값을 수신받아 목표토출온도를 연산하여 상기 히트 펌프 시스템을 제어하는 제어부(300)를 구비하고,
    상기 제어부(300)는, 히트펌프 모드시, 상기 목표토출온도와 차실내 공기토출온도의 편차에 따라 연산된 압축기(100) 회전수가 압축기(100) 최대회전수의 상한치 보다 작으면, 상기 편차에 따른 압축기(100) 회전수로 상기 압축기(100)를 가변 제어하고,
    상기 압축기(100) 회전수가 압축기(100) 최대회전수의 상한치와 같거나 크고, 상기 목표토출온도가 차실내 공기토출온도 보다 높을 경우, 상기 압축기(100)의 작동을 유지한 상태에서 상기 전기가열식히터(115)를 작동 제어하는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 압축기(100) 최대회전수의 상한치는, 외기온도, 냉매압력, 차량속도, 블로어 풍량, 실외열교환기의 냉각팬 회전수, 주행구동원 온/오프 조건에 따른 각 인자별 압축기(100) 최대회전수의 상한치 중 최소값인 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제어부(300)는, 상기 압축기(100)의 작동 유지시, 상기 압축기(100) 회전수를 압축기(100) 최대회전수의 상한치로 유지하는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 제어부(300)는, 상기 전기가열식히터(115)의 작동 제어시, 상기 압축기(100) 회전수를 압축기(100) 최대회전수의 상한치로 유지한 상태에서 상기 목표토출온도와 차실내 공기토출온도의 편차에 따른 전기가열식히터(115)의 발열량을 연산하여 전기가열식히터(115)를 가변 제어하는 것을 특징으로 하는 차량용 히트 펌프 시스템.
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