KR20180062367A - 친환경차 난방 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고전압부의 고전압을 직접 이용하여 히터 구동 신호를 생성 및 제공하는 새로운 방식의 PTC 히터를 제안하고, 이를 통해 노이즈 발생이 최소화될 수 있도록 하는 친환경차 난방 시스템에 관한 것으로,
이는 고전압부에 연결된 부하; 상기 부하와 접지 사이에 위치하며, 상기 부하를 통해 흐르는 전류량을 제어하는 스위치; 상기 고전압부에 연결되며, 상기 고전압부의 출력 전류를 기 설정값으로 제한하는 전류 제한기; 상기 전류 제한기에 의해 전력 제한된 고전압을 기 설정된 전압으로 전압 강하하는 전압 레귤레이터; 및 상기 전압 레귤레이터의 출력 전압을 충전한 후, 히터 구동값에 상응하는 전압을 방전하여 상기 스위치에 인가하는 충방전부를 포함할 수 있다.

Description

친환경차 난방 시스템{Green car heating system}

본 발명은 친환경차 난방 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 새로운 구동 방식을 가지는 PTC 히터를 통해 노이즈 발생이 최소화될 수 있도록 하는 친환경차 난방 시스템에 관한 것이다.

PTC(Positive Temperature Coefficient) 히터는 친환경차의 난방장치로서, 친환경차의 승객 공간 난방을 위한 전자 장치이다. PTC 히터의 부하는 PTC 스톤이며, 부하(PTC 스톤)에 전류가 흐르면 발열이 되어 난방이 되는 방식이다.

PTC 히터의 출력은 부하를 통해 흐르는 전류량에 따라 가변되는 데, 전류량은 IGBT, 및 FET 등과 같은 전자 소자에 의해 제어되며, 이러한 스위치를 제어 및 구동하기 위해서는 구동 전원이 필요하다.

도 1은 종래의 기술에 따른 친환경차에 적용되는 PTC 히터를 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 PTC 히터는 저전압을 DC-DC 컨버팅하여 히터 구동 전압을 생성하는 DC-DC 컨버터(11), 히터 구동 전압을 기반으로 스위치 동작을 제어하는 게이트 드라이버(12), 게이트 드라이버(12)의 제어하에 턴온되는 스위치(13), 스위치 턴온시 고전압을 인가받아 발열 동작을 수행하는 부하(14), 사용자 응답에 요청하여 게이트 드라이버(12)를 동작제어하는 프로세서(15), 그리고 DC-DC 컨버터(11) 앞뒤단에 위치되어 DC-DC 컨버팅에 따른 노이즈(EMI)를 제거하는 EMI 필터(16) 등을 포함하여 구성된다.

즉, 종래의 PTC 히터는 히터 구동 신호를 저전압부에서 가져온다. 이는 고출력이 필요한 부품에서의 효율성 및 스위치의 내전압 때문이다. 다만, 이와 같이 저전압부에서 히터 구동 신호를 가져올 경우, 고전압부에서 저전압부로의 전기가 유기되는것을 막기 위해 절연되어 있어야 하며, 이 때문에 DC-DC 컨버터 등의 절연 구조의 전원회로를 반드시 사용해야 한다.

그러나 DC-DC 컨버터는 트랜스포머를 통해 저전압측과 고전압 측의 전기적 절연을 수행하지만, 전력 변환을 위해 스위칭 동작을 해야 하며, 이 때문에 노이즈(EMI)등이 발생하여 제어 회로에 악영향을 미친다.

전기자동차용 PTC 히터 구동을 위한 입력 필터를 갖는 벅 컨버터의 특성 분석 및 성능 평가(전기학회논문지. The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. P 관련메뉴 v.61 no.2, 2012년, pp.59 - 66)

본 발명의 목적은 고전압부의 고전압을 직접 이용하여 히터 구동 신호를 생성 및 제공하는 새로운 방식의 PTC 히터를 제안하고, 이를 통해 노이즈 발생이 최소화될 수 있도록 하는 친환경차 난방 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따르면, 고전압부에 연결된 부하; 상기 부하와 접지 사이에 위치하며, 상기 부하를 통해 흐르는 전류량을 제어하는 스위치; 상기 고전압부에 연결되며, 상기 고전압부의 출력 전류를 기 설정값으로 제한하는 전류 제한기; 상기 전류 제한기에 의해 전력 제한된 고전압을 기 설정된 전압으로 전압 강하하는 전압 레귤레이터; 및 상기 전압 레귤레이터의 출력 전압을 충전한 후, 히터 구동값에 상응하는 전압을 방전하여 상기 스위치에 인가하는 충방전부를 포함하는 PTC 히터를 제공한다.

상기 충방전부는 히터 구동값 미인가시에는 상기 전압 레귤레이터의 출력 전압을 충전하되, 히터 구동값 인가시에는 상기 충전 전압을 상기 히터 구동값에 따라 방전하여 상기 스위치에 인가하는 것을 특징으로 한다.

상기 스위치는 IGBT(insulated gate bipolar mode transistor), FET(field effect transistor) 중 하나로 구현되며, 상기 충방전부로부터 인가되는 제어 신호에 따라 전류 도통량을 조정하는 것을 특징으로 한다.

상기 PTC 히터는 저전압측에 위치되어, 저전압부의 저전압에 의해 구동되며, 사용자 제어값을 기반으로 상기 히터 구동값을 생성하여 상기 충방전부에 제공하는 프로세서를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 PTC 히터는 저전압측과 고전압측간을 전기적으로 절연시키면서, 상기 히터 구동값을 상기 프로세서에서 상기 충방전부로 전달하는 신호 라인을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 친환경차 난방 시스템은 고전압을 전류 제한하고 전압 강하한 후 충전(Charging) 및 방전(Drive)시킴으로써, 히터 구동 신호를 제공하는 방식으로 PTC 히터를 구동하도록 한다. 이에 PTC 히터가 DC-DC 컨버터와 같은 전력 변환 장치를 필요로 하지 않아, 전력 변환에 따른 노이즈(EMI) 발생 가능성이 사전 차단되도록 한다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 종래의 기술에 따른 친환경차에 적용되는 PTC 히터를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 친환경차 난방 시스템의 구성도를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 친환경차 난방 방법을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 친환경차 난방 시스템을 도시한 도면이다.

도 2를 참고하면, 본 발명의 시스템은 PTC 히터(100), 고전압부(200) 및 저전압부(300)를 구비하며, PTC 히터(100)는 다시 부하(110), 스위치(150), 전류 제한기(120), 전압 레귤레이터(130), 충방전부(140) 및 프로세서(160)를 구비하되, 부하(110), 전류 제한기(120), 전압 레귤레이터(130), 충방전부(140), 스위치(150) 는 고전압부(200)의 고전압을 통해 구동되는 고전압측에 위치되고, 프로세서(160)만이 저전압부(300)의 저전압을 통해 구동되는 저전압측에 위치되도록 한다.

즉, 본 발명은 충방전부(140)와 스위치(150) 모두 고전압측에 위치되어, DC-DC 컨버터 기반의 전력 변환 동작을 별도로 수행할 필요가 없도록 함으로써, 전력 변환에 의한 노이즈(EMI) 발생 가능성이 사전 차단되도록 한다.

고전압부(200)는 고전압용 배터리를 구비하고, 이를 통해 계통 전력 등을 충전하여 친환경차 구동에 필요한 고전압을 생성 및 출력한다.

저전압부(300)는 저전압용 배터리를 구비하고, 이를 통해 계통 전력 등을 충전하여 친환경차 구동에 필요한 저전압을 생성 및 출력한다.

예를 들어, 고전압은 0~ 500V 정도일 수 있으며, 저전압은 0~20V 일 수 있으나, 이는 차량 구동 환경, 차량 설계 요구 사항 등을 고려하여 다양하게 조정될 수 있다.

PTC 히터(100)의 부하(110)는 고전압부(200)에 연결되는 열선 등으로 구현될 수 있으며, 이는 자신을 통해 흐르는 전류량에 상응하는 열을 발생하도록 한다.

전류 제한기(120)는 고전압부(200)에 연결되며, 고전압부(200)의 출력 전류를 기 설정값(예를 들어, 10mA)으로 제한하도록 한다.

전압 레귤레이터(130)는 전류 제한기에 의해 전류 제한된 고전압을 인가받고, 이를 전압 레귤레이션하여 충방전부(140)가 이용 가능한 저전압을 생성 및 출력하도록 한다. 예를 들어, 약 16V 정도의 저전압일 수 있으나, 이는 차량 구동 환경, 차량 설계 요구 사항 등을 고려하여 다양하게 조정될 수 있다.

충방전부(140)는 전압 레귤레이터(130)의 출력 전압을 충전한 후, 이를 방전하여 스위치(150)를 동작 제어하도록 한다. 즉, 프로세서(160)가 히동 구동값을 제공하지 않으면, 전압 레귤레이터(130)의 출력 전압을 충전하도록 한다. 반면, 프로세서(160)로부터 히동 구동값이 입력되면, 히터 구동값에 상응하는 시간 동안 충전 전압을 방전하여, 히터 구동값에 상응하는 신호값을 가지는 제어 신호를 생성하고, 이를 스위치(150)에 제공하도록 한다.

본 발명에서와 같이 전압 레귤레이터(130)의 출력 전압을 충방전하여 스위치 제어 신호를 발생하는 것은, 전류 제한기(120)의 전류 제한 동작에 의해 전압 레귤레이터(130)의 출력 전압을 직접 인가하여서는 스위치(150)를 정상적으로 구동할 수 없기 때문이다. 이에 본 발명의 충방전부(140)는 전압 레귤레이터(130)의 출력 전압을 충전하여 스위치(150)의 동작 제어가 가능한 전압 및 전류를 충분히 획득한 후, 이를 기반으로 스위치 제어 신호를 만듦으로써, 스위치(150)가 이에 응답하여 안정적으로 턴온 또는 턴오프될 수 있도록 한다.

스위치(150)는 부하(110)와 접지 사이에 위치하여 고전압부(200), 부하(110), 접지로의 전류 경로를 형성하되, 충방전부(140)로부터 인가되는 신호의 듀티폭에 따라 부하(110)를 통해 흐르는 전류량을 조절하도록 한다. 이러한 스위치(150)는 IGBT(insulated gate bipolar mode transistor), FET(field effect transistor)과 같은 트랜지스터로 구현될 수 있다.

프로세서(160)는 저전압측에 위치되어 저전압부(300)의 저전압에 의해 구동된다. 그리고 친환경차에 마련된 사용자 인터페이스(400)를 통해 획득되는 사용자 제어값(예를 들어, 히터 구동 온도)을 수신 및 분석하여, 이에 상응하는 히터 구동값을 생성하여 충방전부(140)에 제공하도록 한다.

이때, 프로세서(160)와 충방전부(140)간을 연결하는 신호 라인(170)은 저전압측과 고전압측간을 전기적으로 절연시키는 절연 소자(171)를 더 포함하여, 히터 구동값을 프로세서(160)에서 충방전부(140)로 전달하도록 하는 데, 이는 신호라인에 의해 고전압부에서 저전압부로 전기가 유기되는 것을 사전 방지하도록 한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 친환경차 난방 방법을 설명하기 위한 도면이다.

PTC 히터(100)의 초기 상태에서, 스위치(150)는 턴오프 상태이며, 고전압부(200)의 고전압은 전류 제한기(120) 쪽으로만 공급된다(S1).

전류 제한기(120)는 자신에 인가된 고전압의 전류를 기 설정값으로 제한하여 출력하고(S2), 전압 레귤레이터(130)는 전류 제한된 고전압을 충방전부(140)가 이용 가능한 저전압으로 전압 강하하도록 한다(S3).

그러면, 충방전부(140)는 전압 레귤레이터(130)로부터 출력되는 전압을 충전하기 시작한다(S4).

이러한 상태에서, 사용자 또는 외부 장치가 히터 구동을 요청하고 히터 구동 온도를 요청하면(S5), 프로세서(160)는 히터 구동값을 생성 및 제공하고, 충방전부(140)는 히터 구동값에 상응하는 시간 만큼 충전 전압을 방전하여 스위치(150)를 턴온시킨다. 즉, 충방전부(140)는 히터 구동값에 상응하는 듀티폭을 가지는 제어신호를 생성하고 스위치(150)에 제공하고, 스위치(150)는 이에 응답하여 턴온 시간을 조정하도록 한다(S6).

턴온된 스위치(150)는 고전압부(200), 부하(110) 및 접지(GND)로의 전류 경로를 형성하고, 부하(110)는 자신을 통해 흐르는 전류량에 상응하는 열을 발생하게 된다(S7).

이러한 상태에서, 다시 사용자 또는 외부 장치에 의해 히터 구동 종료가 요청되면(S8), 충방전부(140)는 전압 방전을 즉각 종료하여 스위치(150)를 다시 턴 오프시킨 후, 다시 단계 S1로 재진입하도록 한다(S1).

이와 같이, 본 발명의 친환경차 난방 시스템은 고전압부의 고전압을 이용하여 PTC 히터 구동 신호를 생성 및 제공함으로써, 종래의 기술에서와 달리 저전압측과 고전압측에 걸쳐 설치되는 DC-DC 컨버터를 구비할 필요가 없어, DC-DC 컨버팅에 의한 노이즈 발생 가능성이 사전 차단되도록 함을 알 수 있다.

더하여, 상기의 설명에서는 스위치(150)에 인가되는 제어 신호의 듀티폭을 통해 부하의 전류 도통량을 조정하도록 하였지만, 필요한 경우 스위치(150)에 인가되는 신호의 전압을 통해 전류 도통량을 조정할 수도 있음은 물론 당연할 것이다.

이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (7)

1. 고전압을 발생 및 제공하는 고전압부;
   상기 고전압 보다 작은 전압값을 가지는 저전압을 발생 및 출력하는 저전압부; 및
   상기 고전압부와 접지에 직렬 연결된 부하와 스위치를 구비하고, 상기 고전압부의 출력을 전류 제한 및 전압 강하한 후 충전하고, 히터 구동값에 따라 충전 전압을 방전하여 상기 스위치에 제공함으로써, 상기 부하가 상기 히터 구동값에 상응하는 열을 발생하는 PTC(Positive Temperature Coefficient) 히터를 포함하는 친환경차 난방 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 고전압부에 연결된 부하;
   상기 부하와 접지 사이에 위치하며, 상기 부하를 통해 흐르는 전류량을 제어하는 스위치;
   상기 고전압부에 연결되며, 상기 고전압부의 출력 전류를 기 설정값으로 제한하는 전류 제한기;
   상기 전류 제한기에 의해 전력 제한된 고전압을 기 설정된 전압으로 전압 강하하는 전압 레귤레이터; 및
   상기 전압 레귤레이터의 출력 전압을 충전한 후, 상기 히터 구동값이 인가되면 충전 전압을 방전하여 히터 구동값에 상응하는 신호값을 가지는 제어 신호를 생성하여 상기 스위치에 제공하는 충방전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경차 난방 시스템.
3. 제2항에 있어서, 상기 충방전부는
   히터 구동값 미인가시에는 상기 전압 레귤레이터의 출력 전압을 충전하되, 히터 구동값 인가시에는 상기 충전 전압을 상기 히터 구동값에 따라 방전하여 상기 스위치에 인가하는 것을 특징으로 하는 친환경차 난방 시스템.
4. 제2항에 있어서, 상기 스위치는
   IGBT(insulated gate bipolar mode transistor), FET(field effect transistor) 중 하나로 구현되며, 상기 충방전부로부터 인가되는 제어 신호에 따라 전류 도통량을 조정하는 것을 특징으로 하는 친환경차 난방 시스템.
5. 제2항에 있어서,
   상기 저전압부의 저전압에 의해 구동되며, 사용자 제어값을 기반으로 상기 히터 구동값을 생성하여 상기 충방전부에 제공하는 프로세서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경차 난방 시스템.
6. 제5항에 있어서,
   저전압측과 고전압측간을 전기적으로 절연시키면서, 상기 히터 구동값을 상기 프로세서에서 상기 충방전부로 전달하는 신호 라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경차 난방 시스템.
7. 고전압부에 연결된 부하;
   상기 부하와 접지 사이에 위치하며, 상기 부하를 통해 흐르는 전류량을 제어하는 스위치;
   상기 고전압부에 연결되며, 상기 고전압부의 출력 전류를 기 설정값으로 제한하는 전류 제한기;
   상기 전류 제한기에 의해 전력 제한된 고전압을 기 설정된 전압으로 전압 강하하는 전압 레귤레이터; 및
   상기 전압 레귤레이터의 출력 전압을 충전한 후, 히터 구동값이 인가되면 충전 전압을 방전하여 히터 구동값에 상응하는 신호값을 가지는 제어 신호를 생성하여 상기 스위치에 제공하는 충방전부를 포함하는 PTC(Positive Temperature Coefficient) 히터.

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