KR20160066180A - 전기자동차용 히트펌프 시스템 및 이의 제어 방법 - Google Patents

전기자동차용 히트펌프 시스템 및 이의 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기자동차용 히트펌프 시스템 및 이의 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 극저온 난방용량을 증대시켜 난방 성능을 향상시킬 수 있도록 한 전기자동차용 히트펌프 시스템 및 이의 제어 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 압축기로 공급되는 냉매의 기체 상태 유지를 위한 과열도를 제어하는 동시에 내부 열교환기를 통과한 냉매를 압축기로 공급하는 베이퍼 인젝션 압력을 증가시킬 수 있도록 함으로써, 별도의 PTC 히터와 같은 보조 난방기구를 사용하지 않고도 극저온 난방용량을 증대시켜 난방 성능을 향상시킬 수 있도록 한 전기자동차용 히트펌프 시스템 및 이의 제어 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

전기자동차용 히트펌프 시스템 및 이의 제어 방법{Heat pump system for electric car and method for controlling for the same}
본 발명은 전기자동차용 히트펌프 시스템 및 이의 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 극저온 난방용량을 증대시켜 난방 성능을 향상시킬 수 있도록 새롭게 개선된 전기자동차용 히트펌프 시스템 및 이의 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 내연기관 자동차는 엔진과 연결된 압축기로 냉매를 압축 순환시켜 냉방을 제공하고, 엔진에서 발생하는 열을 이용하거나 보조열량으로 전기히터를 이용하여 난방을 제공한다.
반면, 전기자동차는 난방을 위한 과다한 전기사용으로 배터리 충전량을 감소시키므로, 전기 에너지의 효율적인 사용과 난방을 제공하기 위해 냉난방을 위하여 히트 펌프 시스템을 적용하고 있다.
여기서, 전기자동차에 적용되는 공기조화장치인 종래의 히트펌프 시스템 작동 원리를 첨부한 도 4를 참조로 살펴보면 다음과 같다.
하절기에는 압축기에서 압축된 고온 고압의 기상냉매가 응축기(냉방시 실외측 열교환기 역할을 함)를 통하여 응축된 후, 팽창밸브를 거쳐 증발기(냉방시 실내측 열교환기 역할을 함)에서의 증발을 통하여 실내의 온도 및 습도를 낮추는 냉방이 이루어진다.
이를 위해, 먼저 압축기(10)에 의해 고온 고압으로 압축된 냉매가 응축기(12)로 보내진다.
이때, 상기 응축기(12)내로 보내진 고온 고압의 냉매는 응축기 팬(13)의 구동에 의하여 응축기(12)를 통과하는 공기와 열교환하여 고압의 액체로 응축된 후, 제1팽창밸브(14)를 통과하여 저온이 되면서 실내측 열교환기인 증발기(16)로 보내진다.
이어서, 상기 증발기(16)내로 유입된 냉매는 증발기 팬(17)의 구동에 의하여 증발기(16)를 통과하여 실내로 흐르는 공기와 열교환되는 동시에 그 자신은 증발되면서 주위 공기를 냉각시킴으로써, 냉방이 이루어지게 된다.
연이어, 상기 증발기(16)를 통과하는 냉매는 저온 저압의 가스 상태로 변환된 후, 다시 압축기(10)로 보내져서 상기한 싸이클을 반복하게 된다.
반면, 난방은 실내측 및 실외측 열교환기의 기능이 냉방과 반대로 수행된다.
즉, 난방시 응축기가 실내측 열교환기 역할을 하고, 증발기가 실외측 열교환기 역할을 한다.
이를 위해, 먼저 압축기(10)에서 토출된 고온 고압의 냉매가 응축기(12)로 보내어져 저온 저압의 액체로 응축되면서 응축기 팬(13)의 구동에 의하여 송풍되는 외기와 열교환되어 외기의 온도를 상승시킨다.
이에, 외기온도가 상승된 외기는 차량의 실내로 송풍되어 난방을 하게 되고, 응축기(12)에서 토출된 냉매는 제1팽창밸브(14)를 통과하면서 저온 저압의 액체로 전환된 후, 실외측 열교환기인 증발기(16)를 지나면서 증발기 팬(17)에 의해 송풍되는 차가운 외기에서 열을 흡수하여 저온 저압의 기체가 된 다음, 다시 압축기(10)로 보내진다.
그러나, 전기자동차용 히트펌프 시스템은 다음과 같은 문제점이 있다.
외기온이 극저온 상태에서는 냉매의 밀도 축소로 인하여 압축기로 유입되는 냉매 즉, 저온 저압의 기체 상태 냉매 유입량이 줄어들어서, 결국 난방용량이 부족해지는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 첨부한 도 4에서 보듯이 응축기(12)의 출구와 압축기(10)의 중간부분 간에 별도의 인젝션 라인(20)을 연결하고, 이 인젝션 라인(20)에 전자식 제2팽창밸브(22)와 내부 열교환기(24)를 차례로 장착한 냉매 증기 인젝션 시스템이 적용되고 있다.
따라서, 상기 응축기(12)로부터 배출되는 저온 저압의 냉매를 내부 열교환기(24)에서 가열하여 고온 고압의 기상 냉매로 전환시킨 후 압축기(10) 중간부분으로 분사 공급하는 베이퍼 인젝션(Vapor injection)과 함께 상기 증발기(16)로부터의 저온 저압의 냉매 기체가 압축기(10)로 공급된다.
이렇게 상기 증발기(16)로부터의 냉매 외에 내부 열교환기(24)를 경유한 냉매를 압축기(10)로 추가 공급하는 베이퍼 인젝션(Vapor injection)을 통하여, 압축기(10)에 대한 냉매 유량을 증가시킴으로써, 극저온 난방용량을 증가시킬 수 있다.
첨부한 도 5를 참조하면, 상기 히트펌프 시스템의 구성 중 내부 열교환기 대신에 액냉매를 분리하는 상분리기(28, Phase Separator)를 장착하여, 액냉매가 분리된 기상 냉매압을 압축기(10)로 추가 공급하는 베이퍼 인젝션(Vapor injection)을 통하여, 압축기(10)에 대한 냉매 유량을 증가시킴으로써, 극저온 난방용량을 증가시킬 수 있다.
그러나, 내부 열교환기 또는 상분리기를 경유하여 압축기로 공급되는 냉매 증가량 즉, 베이퍼 인젝션(Vapor injection)에 의한 난방용량 증대량이 인젝션 중간압력 및 과열도에 의하여 제한되는 문제점이 있고, 이러한 문제점 외에 별도의 고전압 PTC히터를 응축기 주변에 더 설치해야 하고, 이로 인하여 고가의 PTC 히터 사용에 따른 제조 원가 상승이 초래되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 압축기로 공급되는 냉매의 기체 상태 유지를 위한 과열도를 제어하는 동시에 내부 열교환기를 통과한 냉매를 압축기로 공급하는 베이퍼 인젝션 압력을 증가시킬 수 있도록 함으로써, 극저온에서 부족한 히트펌프 난방용량을 향상시켜 전기자동차에서 난방 소모동력을 줄이는 동시에 주행거리를 늘릴 수 있도록 새롭게 개선된 전기자동차용 히트펌프 시스템 및 이의 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 구현예는: 저온 저압의 냉매를 고온 고압의 기상 냉매로 압축하는 압축기와; 고온 고압의 냉매를 응축시키는 응축기와; 응축기에서 토출된 냉매의 유량 조절과 함께 저압으로 전환시키는 제1팽창밸브와; 팽창밸브로부터의 저온 저압의 액체 냉매를 기화시키는 증발기와; 응축기의 출구와 압축기의 중간부분 간에 연결되는 인젝션 라인과; 인젝션 라인에 차례로 장착되는 전자식 제2팽창밸브와 내부 열교환기를 포함하는 전기자동차용 히트펌프 시스템에 있어서, 상기 인젝션 라인 구간 중, 내부 열교환기의 출구와 압축기의 중간부분 사이 위치에 내부 열교환기를 통과한 냉매를 과열도를 고려하여 히팅하여, 베이퍼 인젝션 압력을 증가시킬 수 있도록 한 인터 히팅부를 설치하여서 된 것을 특징으로 하는 전기자동차용 히트펌프 시스템을 제공한다.
바람직하게는, 상기 인터 히팅부는 인젝션 라인내에 장착되되, 냉매와 직접 접촉 방지를 위하여 열선코일이 케이싱 처리된 구조로 구비된 것임을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예는: 실내 난방 설정온도에 따른 필요 토출온도를 계산하는 단계와; 필요 토출온도가 현재 토출온도에 비하여 높으면, 압축기의 RPM을 증대시키는 단계와; 응축기로부터 배출되는 저온 저압의 냉매를 응축기 출구와 압축기 중간부분 간의 베이퍼 인젝션 라인에 장착된 내부 열교환기에서 가열하여 고온 고압의 기상 냉매로 전환시킨 후, 압축기의 중간부분으로 분사 공급하는 베이퍼 인젝션 단계; 를 포함하되, 상기 베이퍼 인젝션 단계에서, 냉매의 과열도를 고려하여 전자 팽창밸브의 개폐량을 조절함과 함께 베이퍼 인젝션 라인의 내부 열교환기 이후 위치에 장착된 인터 히팅부를 작동시켜서, 압축기로 들어가는 냉매의 베이퍼 인젝션 압력 및 유량을 증가시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 전기자동차용 히트펌프 시스템 제어 방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 냉매의 과열도가 기준치 이상이면, 과열도를 낮추기 위한 응축기로부터의 저온 냉매량을 내부 열교환기쪽으로 증가 공급하기 위하여, 전자식 제2팽창밸브의 개도량을 증가시키는 제어가 이루어지는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 압축기의 RPM이 기준 제한영역까지 증가하는 시점에서 현재 토출온도가 필요 토출온도보다 낮으면, 압축기로 들어가는 냉매의 베이퍼 인젝션 압력 및 유량을 증가시킬 수 있도록 전자식 제2팽창밸브의 개도량을 더 증가시키는 동시에 내부 열교환기를 통과한 냉매의 2차 가열을 위한 인터 히팅부를 작동시키는 제어가 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 인터 히팅부의 작동시, 냉매의 과열도가 기준치 이하이면 인터 히팅부의 작동시간 및 온도를 더 증가시키는 제어가 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 구현예는: 저온 저압의 냉매를 고온 고압의 기상 냉매로 압축하는 압축기와; 고온 고압의 냉매를 응축시키는 응축기와; 응축기에서 토출된 냉매의 유량 조절과 함께 저압으로 전환시키는 제1팽창밸브와; 팽창밸브로부터의 저온 저압의 액체 냉매를 기화시키는 증발기와; 응축기의 출구와 압축기의 중간부분 간에 연결되는 인젝션 라인과; 인젝션 라인에 차례로 장착되는 전자식 제2팽창밸브와 상분리기를 포함하는 전기자동차용 히트펌프 시스템에 있어서, 상기 인젝션 라인 구간 중, 상분리기의 입구 또는 상분리기의 출구와 압축기의 중간부분 사이 위치에 냉매를 과열도를 고려하여 히팅하여, 베이퍼 인젝션 압력을 증가시킬 수 있도록 한 인터 히팅부를 설치하여서 된 것을 특징으로 하는 전기자동차용 히트펌프 시스템을 제공한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 구현예는: 실내 난방 설정온도에 따른 필요 토출온도를 계산하는 단계와; 필요 토출온도가 현재 토출온도에 비하여 높으면, 압축기의 RPM을 증대시키는 단계와; 응축기로부터 배출되는 저온 저압의 액상 냉매를 응축기 출구와 압축기 중간부분 간의 베이퍼 인젝션 라인에 장착된 상분리기에서 분리하는 동시에 나머지 기상 냉매를 압축기의 중간부분으로 분사 공급하는 베이퍼 인젝션 단계를 포함하되, 상기 베이퍼 인젝션 단계에서, 냉매의 과열도를 고려하여 전자 팽창밸브의 개폐량을 조절함과 함께 베이퍼 인젝션 라인의 상분리기 전 또는 후 위치에 장착된 인터 히팅부를 작동시켜서, 압축기로 들어가는 냉매의 베이퍼 인젝션 압력 및 유량을 증가시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 전기자동차용 히트펌프 시스템 제어 방법을 제공한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 전기차 주행거리 증대를 위한 고효율 히트펌프 적용시 문제점인 극저온 난방성능을 개선할 수 있고, 액상 냉매의 압축기 내 유입을 방지하여 압축기의 내구성능을 확보할 수 있다.
또한, 응축기로부터의 냉매가 내부 열교환기를 통과한 후, 압축기로 공급되는 베이퍼 인젝션 압력을 인터 히팅부를 이용하여 증가시킬 수 있도록 함으로써, 단일 히트펌프로 극저온에서 필요한 만큼 난방용량을 증대시킬 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템을 도시한 개략도,
도 3은 본 발명에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템 제어 방법을 도시한 순서도,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템을 도시한 개략도,
도 5 및 도 6은 종래의 전기자동차용 히트펌프 시스템을 도시한 개략도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은 히트펌프 시스템의 베이퍼 인젝션에 대한 성능 개선의 제약조건인 중간 인젝션 압력을 증가시키기 위한 방법 및 제어에 관한 기술로서, 베이퍼 인젝션을 위한 중간압력 증대로 난방성능을 향상시키면서, 과열도 제어에 의한 압축기 내 비압축성 액체 냉매 유입 방지를 통한 압축기 손상 방지를 도모할 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.
제1실시예
첨부한 도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템을 도시한 개략도이다.
도 1 및 도 2에서 보듯이, 전기자동차용 히트펌프 시스템은 저온 저압의 냉매를 고온 고압의 기상 냉매로 압축하는 압축기(10)와; 압축기(10)로부터의 고온 고압의 냉매를 응축시키는 응축기(12)와; 응축기(12)에서 토출된 냉매의 유량 조절과 함께 저압으로 전환시키는 제1팽창밸브(14)와; 제1팽창밸브(14)로부터의 저온 저압의 액체 냉매를 기화시키는 증발기(16)와; 응축기(12)의 출구와 압축기(10)의 중간부분 간에 연결되는 인젝션 라인(20)과; 인젝션 라인(20)에 차례로 장착되는 전자식 제2팽창밸브(22)와 내부 열교환기(24)를 포함하여 구성된다.
본 발명의 제1실시예에 따르면, 상기 인젝션 라인(20) 구간 중, 내부 열교환기(24)의 출구와 압축기(10)의 중간부분 사이 위치에 내부 열교환기(24)를 통과한 냉매를 과열도를 고려하여 히팅하여, 압축기(10) 중간부분에 대하여 기체 상태의 냉매를 분사하는 압력 즉, 베이퍼 인젝션 압력을 증가시킬 수 있도록 한 인터 히팅부(26)가 설치된다.
바람직하게는, 상기 인터 히팅부(26)는 인젝션 라인(20)내에 장착되되, 냉매와 직접 접촉 방지를 위하여 열선코일이 케이싱 처리된 구조로 구비된다.
또한, 상기 인터 히팅부(26)는 도 1에서 보듯이 내부 열교환기(24)의 출구를 확대 연장시킨 부분에 내설되거나, 도 2에서 보듯이 인젝션 라인(20)에서 내부 열교환기(24)의 출구와 떨어진 위치인 압축기(10) 중간 부분 바로 전 위치에 독립적으로 장착될 수 있다.
여기서, 상기한 구성을 기반으로 하는 본 발명의 제1실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템에 대한 작동 제어 흐름을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 외기온센서, 압력센서, 온도센서 등의 검출값을 이용하여 제어기에서 실내 난방 설정온도에 따른 필요 토출온도를 계산한다.
즉, 실내 난방 설정온도에 맞게 난방을 위한 공기가 실내로 토출될 때의 온도 즉, 필요 토출온도를 계산한다.
다음으로, 필요 토출온도(Tr_d)와 현재 토출온도(Td)에 비교하여, 필요 토출온도(Tr_d)가 현재 토출온도(Td)에 비하여 높으면, 압축기에서 압축되는 고온 고압의 냉매 유량이 보다 신속하면서도 보다 많이 이루어지도록 압축기의 RPM을 증대시킨다.
이때, 압축기(10)에서 토출된 고온 고압의 냉매가 응축기(12)로 보내어져 저온 저압의 액체로 응축되면서 응축기 팬(13)의 구동에 의하여 송풍되는 외기와 열교환되어 외기의 온도를 상승시킨다.
이에, 외기온도가 상승된 외기는 차량의 실내로 송풍되어 난방을 하게 되고, 응축기(12)에서 토출된 냉매는 제1팽창밸브(14)를 통과하면서 저온 저압의 액체로 전환된 후, 실외측 열교환기인 증발기(16)를 지나면서 증발기 팬(17)에 의해 송풍되는 차가운 외기에서 열을 흡수하여 저온 저압의 기체가 된 다음, 다시 압축기(10)로 보내진다.
또한, 외기온도가 극저온시 난방용량을 증가시키고자 할 경우, 상기 응축기(12)로부터 배출되는 저온 저압의 냉매를 내부 열교환기(24)에서 가열하여 고온 고압의 기상 냉매로 전환시킨 후 압축기(10) 중간부분으로 분사 공급하는 베이퍼 인젝션(Vapor injection) 단계가 진행된다.
따라서, 상기 증발기(16)로부터의 냉매 외에 내부 열교환기(24)를 경유한 냉매를 압축기(10)로 추가 공급하는 베이퍼 인젝션 단계을 통하여 압축기(10)에 대한 냉매 유량을 증가시킴으로써, 극저온 난방용량을 증가시킬 수 있다.
이렇게 상기 내부 열교환기(24)를 통과한 냉매를 압축기(10)로 분사하는 베이퍼 인젝션 단계를 통하여 난방용량을 10~30% 정도 증가시킬 수 있지만, 극저온시 부족한 난방을 더 보충할 필요가 있다.
이를 위해, 상기 베이퍼 인젝션 단계에서, 냉매의 과열도를 고려하여 전자식 제2팽창밸브(22)의 개폐량을 조절함과 함께 베이퍼 인젝션 라인(20)의 내부 열교환기(24) 이후 위치에 장착된 인터 히팅부(26)를 작동시킴으로써, 압축기(10)로 들어가는 냉매의 베이퍼 인젝션 압력 및 유량을 더욱 증가시킬 수 있다.
이때, 상기 베이퍼 인젝션에 의한 난방용량 증대를 위해서 베이퍼 인젝션 압력 즉, 중간 인젝션 압력을 인터 히팅부(26)의 작동에 의하여 증가시킬 수 있지만, 압축기내 비압축성인 액체 냉매가 들어가면 압축기의 손상이 초래되므로, 냉매 기상을 위한 과열도를 유지해주어야 한다.
이에, 상기 냉매의 과열도가 기준치 이상이면, 즉 냉매의 베이퍼 인젝션을 위한 중간압 토출온도(Tinj)가 중간압 포화온도(Tsat)보다 높은 상태이면, 과열도를 낮추기 위한 응축기(12)로부터의 저온 냉매량을 내부 열교환기(24)쪽으로 증가 공급하기 위하여, 제2팽창밸브(22)의 개도량을 증가시키는 제어가 이루어진다.
이렇게 제2팽창밸브(22)의 개도량을 증가시켜서 응축기(12)로부터의 저온 상태 냉매량이 내부 열교환기(24) 및 인터 히팅부(26)쪽으로 흐르는 것을 증가시킴으로써, 냉매의 과열도를 낮출 수 있다.
상기 제2팽창밸브(22)의 개도량이 증가된 후, 압축기의 RPM이 기준 제한영역까지 증가하는 시점에서 현재 토출온도가 필요 토출온도보다 계속 낮으면, 난방 용량을 더 증가시키는 제어 단계가 진행된다.
위의 난방 용량을 더 증가시키는 제어 단계에서, 압축기(10)의 중간부분으로 분사되는 냉매의 베이퍼 인젝션 압력 및 유량을 증가시킬 수 있도록 제2팽창밸브(22)의 개도량을 더 증가시키는 동시에 내부 열교환기(24)에서 1차로 열교환된 냉매를 고온 고압으로 만들어주기 위하여 인터 히팅부(26)를 작동시키는 제어가 이루어진다.
다시 말해서, 상기 압축기(10)의 RPM이 기준 제한영역까지 증가하는 시점에서 현재 토출온도가 필요 토출온도보다 계속 낮으면, 극저온 상태에서 난방 용량을 더 필요로 하는 것으로 판단하여, 상기 제2팽창밸브(22)의 개도량을 더 증가시키는 동시에 내부 열교환기(24)에서 1차로 열교환된 냉매를 고온 고압으로 만들어주기 위하여 인터 히팅부(26)를 작동시킨다.
따라서, 상기 증발기(16)로부터 압축기(10)의 입구로 순환되는 저온 저압의 냉매 이외에 제2팽창밸브(22)의 개도량을 증가시켜 압축기(10)의 중간부분으로 베이퍼 베이퍼 인젝션되는 냉매량을 증가 공급하되, 내부 열교환기(24) 및 인터 히팅부(26)에 의하여 1차 및 2차에 걸쳐 가열되면서 고온 고압 상태로 증가 공급되도록 함으로써, 결국 외기의 극저온 조건에서 압축기(10)에 대한 냉매 유량을 최대화시켜 난방용량을 증가시킬 수 있다.
한편, 상기 인터 히팅부(26)의 작동시, 냉매의 과열도가 기준치 이하이면 인터 히팅부(26)의 작동시간 및 온도를 더 증가시키는 제어가 이루어질 수 있고, 이에 압축기(10)에 대한 냉매 유량을 더욱 최대화시켜 난방용량을 증가시킬 수 있다.
제2실시예
첨부한 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템을 도시한 개략도이다.
본 발명의 제2실시예는 상기한 제1실시예에 따른 히트펌프 시스템의 구성 중 내부 열교환기 대신에 액냉매를 분리하는 상분리기(28, Phase Separator)를 장착하여, 액냉매가 분리된 기상 냉매압을 압축기(10)로 추가 공급하는 베이퍼 인젝션(Vapor injection)을 통하여 압축기(10)에 대한 냉매 유량을 증가시키는 경우, 상기 상분리기(28) 전 또는 액냉매 분리 후 부위에 냉매를 가열하여 필요한 기상 냉매 압력을 만들 수 있는 인터 히팅부(26)를 설치한 점에 특징이 있다.
바람직하게는, 상기 인터 히팅부(26)는 상분리기(28)의 전 또는 후의 인젝션 라인(20)내에 장착되되, 냉매와 직접 접촉 방지를 위하여 열선코일이 케이싱 처리된 구조로 구비된다.
여기서, 상기한 구성을 기반으로 하는 본 발명의 제2실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템에 대한 작동 제어 흐름을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 외기온센서, 압력센서, 온도센서 등의 검출값을 이용하여 제어기에서 실내 난방 설정온도에 따른 필요 토출온도를 계산한다.
즉, 실내 난방 설정온도에 맞게 난방을 위한 공기가 실내로 토출될 때의 온도 즉, 필요 토출온도를 계산한다.
다음으로, 필요 토출온도(Tr_d)와 현재 토출온도(Td)에 비교하여, 필요 토출온도(Tr_d)가 현재 토출온도(Td)에 비하여 높으면, 압축기에서 압축되는 고온 고압의 냉매 유량이 보다 신속하면서도 보다 많이 이루어지도록 압축기의 RPM을 증대시킨다.
이때, 압축기(10)에서 토출된 고온 고압의 냉매가 응축기(12)로 보내어져 저온 저압의 액체로 응축되면서 응축기 팬(13)의 구동에 의하여 송풍되는 외기와 열교환되어 외기의 온도를 상승시킨다.
이에, 외기온도가 상승된 외기는 차량의 실내로 송풍되어 난방을 하게 되고, 응축기(12)에서 토출된 냉매는 제1팽창밸브(14)를 통과하면서 저온 저압의 액체로 전환된 후, 실외측 열교환기인 증발기(16)를 지나면서 증발기 팬(17)에 의해 송풍되는 차가운 외기에서 열을 흡수하여 저온 저압의 기체가 된 다음, 다시 압축기(10)로 보내진다.
또한, 외기온도가 극저온시 난방용량을 증가시키고자 할 경우, 상기 응축기(12)로부터 배출되는 저온 저압의 냉매를 상분리기(28)에서 액상은 분리하고 기상의 냉매를 압축기(10) 중간부분으로 분사 공급하는 베이퍼 인젝션(Vapor injection) 단계가 진행된다.
따라서, 상기 증발기(16)로부터의 냉매 외에 상분리기(28)를 경유한 냉매를 압축기(10)로 추가 공급하는 베이퍼 인젝션 단계을 통하여 압축기(10)에 대한 냉매 유량을 증가시킴으로써, 극저온 난방용량을 증가시킬 수 있다.
이렇게 상기 상분리기(28)를 통과한 냉매를 압축기(10)로 분사하는 베이퍼 인젝션 단계를 통하여 난방용량을 10~30% 정도 증가시킬 수 있지만, 극저온시 부족한 난방을 더 보충할 필요가 있다.
이를 위해, 상기 베이퍼 인젝션 단계에서, 냉매의 과열도를 고려하여 전자식 제2팽창밸브(22)의 개폐량을 조절함과 함께 베이퍼 인젝션 라인(20)의 상분리기(28)의 입구 또는 이후 위치에 장착된 인터 히팅부(26)를 작동시킴으로써, 압축기(10)로 들어가는 기상 냉매의 베이퍼 인젝션 압력 및 유량을 더욱 증가시킬 수 있다.
이때, 상기 베이퍼 인젝션에 의한 난방용량 증대를 위해서 베이퍼 인젝션 압력 즉, 중간 인젝션 압력을 인터 히팅부(26)의 작동에 의하여 증가시킬 수 있지만, 압축기내 비압축성인 액체 냉매가 들어가면 압축기의 손상이 초래되므로, 냉매 기상을 위한 과열도를 유지해주어야 한다.
이에, 상기 냉매의 과열도가 기준치 이상이면, 즉 냉매의 베이퍼 인젝션을 위한 중간압 토출온도(Tinj)가 중간압 포화온도(Tsat)보다 높은 상태이면, 과열도를 낮추기 위한 응축기(12)로부터의 저온 냉매량을 내부 열교환기(24)쪽으로 증가 공급하기 위하여, 제2팽창밸브(22)의 개도량을 증가시키는 제어가 이루어진다.
이렇게 제2팽창밸브(22)의 개도량을 증가시켜서 응축기(12)로부터의 저온 상태 냉매량이 상분리기(28) 및 인터 히팅부(26)쪽으로 흐르는 것을 증가시킴으로써, 냉매의 과열도를 낮출 수 있다.
상기 제2팽창밸브(22)의 개도량이 증가된 후, 압축기의 RPM이 기준 제한영역까지 증가하는 시점에서 현재 토출온도가 필요 토출온도보다 계속 낮으면, 난방 용량을 더 증가시키는 제어 단계가 진행된다.
위의 난방 용량을 더 증가시키는 제어 단계에서, 압축기(10)의 중간부분으로 분사되는 냉매의 베이퍼 인젝션 압력 및 유량을 증가시킬 수 있도록 제2팽창밸브(22)의 개도량을 더 증가시키는 동시에 상분리기(28)에서 액상 제거에 의하여 만들어진 기상 냉매를 고온 고압으로 만들어주기 위하여 인터 히팅부(26)를 작동시키는 제어가 이루어진다.
다시 말해서, 상기 압축기(10)의 RPM이 기준 제한영역까지 증가하는 시점에서 현재 토출온도가 필요 토출온도보다 계속 낮으면, 극저온 상태에서 난방 용량을 더 필요로 하는 것으로 판단하여, 상기 제2팽창밸브(22)의 개도량을 더 증가시키는 동시에 상분리기(28)에서 만들어진 기상 냉매를 고온 고압으로 만들어주기 위하여 인터 히팅부(26)를 작동시킨다.
따라서, 상기 증발기(16)로부터 압축기(10)의 입구로 순환되는 저온 저압의 냉매 이외에 제2팽창밸브(22)의 개도량을 증가시켜 압축기(10)의 중간부분으로 베이퍼 베이퍼 인젝션되는 냉매량을 증가 공급하되, 상분리기(28)에서 만들어진 기상 냉매가 인터 히팅부(26)에 의하여 1차 및 2차에 걸쳐 가열되면서 고온 고압 상태로 증가 공급되도록 함으로써, 결국 외기의 극저온 조건에서 압축기(10)에 대한 냉매 유량을 최대화시켜 난방용량을 증가시킬 수 있다.
한편, 상기 인터 히팅부(26)의 작동시, 냉매의 과열도가 기준치 이하이면 인터 히팅부(26)의 작동시간 및 온도를 더 증가시키는 제어가 이루어질 수 있고, 이에 압축기(10)에 대한 냉매 유량을 더욱 최대화시켜 난방용량을 증가시킬 수 있다.
10 : 압축기
12 : 응축기
13 : 응축기 팬
14 : 제1팽창밸브
16 : 증발기
17 : 증발기 팬
20 : 인젝션 라인
22 : 제2팽창밸브
24 : 내부 열교환기
26 : 인터 히팅부
28 : 상분리기

Claims (12)

  1. 저온 저압의 냉매를 고온 고압의 기상 냉매로 압축하는 압축기와; 압축기로부터의 고온 고압의 냉매를 응축시키는 응축기와; 응축기에서 토출된 냉매의 유량 조절과 함께 저압으로 전환시키는 제1팽창밸브와; 팽창밸브로부터의 저온 저압의 액체 냉매를 기화시키는 증발기와; 응축기의 출구와 압축기의 중간부분 간에 연결되는 인젝션 라인과; 인젝션 라인에 차례로 장착되는 전자식 제2팽창밸브와 내부 열교환기를 포함하는 전기자동차용 히트펌프 시스템에 있어서,
    상기 인젝션 라인 구간 중, 내부 열교환기의 출구와 압축기의 중간부분 사이 위치에 내부 열교환기를 통과한 냉매를 과열도를 고려하여 히팅하여, 베이퍼 인젝션 압력을 증가시킬 수 있도록 한 인터 히팅부를 설치하여서 된 것을 특징으로 하는 전기자동차용 히트펌프 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 인터 히팅부는 인젝션 라인내에 장착되되, 냉매와 직접 접촉 방지를 위하여 열선코일이 케이싱 처리된 구조로 구비된 것임을 특징으로 하는 전기자동차용 히트펌프 시스템 및 이의 제어 방법.
  3. 실내 난방 설정온도에 따른 필요 토출온도를 계산하는 단계와; 필요 토출온도가 현재 토출온도에 비하여 높으면, 압축기의 RPM을 증대시키는 단계와; 응축기로부터 배출되는 저온 저압의 냉매를 응축기 출구와 압축기 중간부분 간의 베이퍼 인젝션 라인에 장착된 내부 열교환기에서 가열하여 고온 고압의 기상 냉매로 전환시킨 후, 압축기의 중간부분으로 분사 공급하는 베이퍼 인젝션 단계; 를 포함하되,
    상기 베이퍼 인젝션 단계에서, 냉매의 과열도를 고려하여 전자식 제2팽창밸브의 개폐량을 조절함과 함께 베이퍼 인젝션 라인의 내부 열교환기 이후 위치에 장착된 인터 히팅부를 작동시켜서, 압축기로 들어가는 냉매의 베이퍼 인젝션 압력 및 유량을 증가시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 전기자동차용 히트펌프 시스템 제어 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 냉매의 과열도가 기준치 이상이면, 과열도를 낮추기 위한 응축기로부터의 저온 냉매량을 내부 열교환기쪽으로 증가 공급하기 위하여, 전자식 제2팽창밸브의 개도량을 증가시키는 제어가 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 히트펌프 시스템 제어 방법.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 압축기의 RPM이 기준 제한영역까지 증가하는 시점에서 현재 토출온도가 필요 토출온도보다 낮으면, 압축기로 들어가는 냉매의 베이퍼 인젝션 압력 및 유량을 증가시킬 수 있도록 전자식 제2팽창밸브의 개도량을 더 증가시키는 동시에 내부 열교환기를 통과한 냉매의 2차 가열을 위한 인터 히팅부를 작동시키는 제어가 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 히트펌프 시스템 제어 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 인터 히팅부의 작동시, 냉매의 과열도가 기준치 이하이면 인터 히팅부의 작동시간 및 온도를 더 증가시키는 제어가 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 히트펌프 시스템 제어 방법
  7. 저온 저압의 냉매를 고온 고압의 기상 냉매로 압축하는 압축기와; 고온 고압의 냉매를 응축시키는 응축기와; 응축기에서 토출된 냉매의 유량 조절과 함께 저압으로 전환시키는 제1팽창밸브와; 팽창밸브로부터의 저온 저압의 액체 냉매를 기화시키는 증발기와; 응축기의 출구와 압축기의 중간부분 간에 연결되는 인젝션 라인과; 인젝션 라인에 차례로 장착되는 전자식 제2팽창밸브와 상분리기를 포함하는 전기자동차용 히트펌프 시스템에 있어서,
    상기 인젝션 라인 구간 중, 상분리기의 입구 또는 상분리기의 출구와 압축기의 중간부분 사이 위치에 냉매를 과열도를 고려하여 히팅하여, 베이퍼 인젝션 압력을 증가시킬 수 있도록 한 인터 히팅부를 설치하여서 된 것을 특징으로 하는 전기자동차용 히트펌프 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 인터 히팅부는 인젝션 라인내에 장착되되, 냉매와 직접 접촉 방지를 위하여 열선코일이 케이싱 처리된 구조로 구비된 것임을 특징으로 하는 전기자동차용 히트펌프 시스템.
  9. 실내 난방 설정온도에 따른 필요 토출온도를 계산하는 단계와; 필요 토출온도가 현재 토출온도에 비하여 높으면, 압축기의 RPM을 증대시키는 단계와; 응축기로부터 배출되는 저온 저압의 액상 냉매를 응축기 출구와 압축기 중간부분 간의 베이퍼 인젝션 라인에 장착된 상분리기에서 분리하는 동시에 나머지 기상 냉매를 압축기의 중간부분으로 분사 공급하는 베이퍼 인젝션 단계를 포함하되,
    상기 베이퍼 인젝션 단계에서, 냉매의 과열도를 고려하여 전자 팽창밸브의 개폐량을 조절함과 함께 베이퍼 인젝션 라인의 상분리기 전 또는 후 위치에 장착된 인터 히팅부를 작동시켜서, 압축기로 들어가는 냉매의 베이퍼 인젝션 압력 및 유량을 증가시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 전기자동차용 히트펌프 시스템 제어 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 냉매의 과열도가 기준치 이상이면, 과열도를 낮추기 위한 응축기로부터의 저온 냉매량을 상분리기쪽으로 증가 공급하기 위하여, 전자식 제2팽창밸브의 개도량을 증가시키는 제어가 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 히트펌프 시스템 제어 방법.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 압축기의 RPM이 기준 제한영역까지 증가하는 시점에서 현재 토출온도가 필요 토출온도보다 낮으면, 압축기로 들어가는 냉매의 베이퍼 인젝션 압력 및 유량을 증가시킬 수 있도록 전자식 제2팽창밸브의 개도량을 더 증가시키는 동시에 상분리기를 통과한 냉매의 2차 가열을 위한 인터 히팅부를 작동시키는 제어가 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 히트펌프 시스템 제어 방법.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 인터 히팅부의 작동시, 냉매의 과열도가 기준치 이하이면 인터 히팅부의 작동시간 및 온도를 더 증가시키는 제어가 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 히트펌프 시스템 제어 방법.
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