KR20180077459A - 자동차의 열전 발전 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자동차의 열전 발전 장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 열전 발전 장치에 유입되는 배기 가스의 열량 조건 및 엔진 냉각수의 온도 조건에 따라 배기 가스의 유로를 가변 제어함으로써 자동차의 주행 조건 별 열전 발전 시스템의 최대 효율을 얻을 수 있도록 하는데 그 목적이 있다. 이를 위해 본 발명에 따른 열전 발전 장치는, 제 1 유로 상에 설치되어 상기 제 1 유로를 통과하는 배기 가스의 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 열전 발전부와; 제 2 유로 상에 설치되어 상기 제 2 유로를 통과하는 배기 가스와 열 교환을 수행하여 냉각수를 가열하는 열 교환부와; 유입된 배기 가스를 그대로 통과시키는 제 3 유로와; 상기 제 1 유로와 상기 제 2 유로, 상기 제 3 유로를 선택적으로 개방하거나 폐쇄하여 배기 가스의 유동 경로를 제어하는 밸브를 포함한다.

Description

자동차의 열전 발전 장치 및 그 제어 방법{THERMOELECTRIC GENERATING APPARATUS OF VEHICLE AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 자동차에 관한 것으로, 자동차의 열전 발전 장치에 관한 것이다.
열전 발전 장치는, 가열 소자와 냉각 소자 사이에 발생되는 전위차를 이용하여 전기를 얻는 장치로서, 기계적인 작동이 없어도 열원에서 직접적으로 전기 에너지를 생산할 수 있다.
열전 발전 장치는 자동차 이외의 분야에서는 이미 오래 전부터 사용되어, 벽지용 전원 시설, 혹성 탐사선(Voyager II) 등에 사용된 사례가 있고, 최근에는 쓰레기 소각로 폐열 이용 시스템, 지열 발전, 해양 온도 차 발전 등에도 적용이 검토되고 있다.
한편, 자동차에서의 에너지 흐름을 살펴보면, 가솔린이 가진 화학 에너지는 엔진에서 연소하여 기계 에너지로 변환되는데, 이때의 열 효율은 30% 정도에 불과하며, 나머지 에너지는 열 에너지, 진동 에너지, 소리 에너지 등으로 방출된다.
따라서, 연비 향상을 위해서 방출되는 에너지의 재활용이 요구되었다. 그리고, 방출되는 열 에너지 중에서도 열원의 온도가 높은 쪽이 에너지로서의 효용성이 높기 때문에 수백 도의 높은 온도 영역을 갖는 엔진의 배기열을 고온 열원으로 이용하거나 열전 발전을 통해 전기 에너지를 생산하는 방법이 개발되고 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 열전 발전 장치에 유입되는 배기 가스의 열량 조건 및 엔진 냉각수의 온도 조건에 따라 배기 가스의 유로를 가변 제어함으로써 자동차의 주행 조건 별 열전 발전 시스템의 최대 효율을 얻을 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적의 본 발명에 따른 열전 발전 장치는, 제 1 유로 상에 설치되어 상기 제 1 유로를 통과하는 배기 가스의 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 열전 발전부와; 제 2 유로 상에 설치되어 상기 제 2 유로를 통과하는 배기 가스와 열 교환을 수행하여 냉각수를 가열하는 열 교환부와; 유입된 배기 가스를 그대로 통과시키는 제 3 유로와; 상기 제 1 유로와 상기 제 2 유로, 상기 제 3 유로를 선택적으로 개방하거나 폐쇄하여 배기 가스의 유동 경로를 제어하는 밸브를 포함한다.
상술한 열전 발전 장치는, 상기 배기 가스의 온도와 상기 냉각수의 온도에 따라 상기 밸브를 제어하여 상기 제 1 유로와 상기 제 2 유로, 상기 제 3 유로의 개방과 폐쇄를 가변 제어하는 제어부를 더 포함한다.
상술한 열전 발전 장치에서, 상기 제어부는, 상기 냉각수의 온도가 냉각수 기준 온도보다 낮을 때, 상기 배기 가스가 상기 열전 발전부 및 상기 열 교환부만을 통해 유동하도록 상기 제 1 유로 및 상기 제 2 유로를 개방하고 상기 제 3 유로는 폐쇄한다.
상술한 열전 발전 장치에서, 상기 제어부는, 상기 냉각수의 온도가 상기 냉각수 기준 온도보다 높거나 같고 상기 배기 가스의 온도가 상기 배기 가스 기준 온도보다 낮을 때, 상기 배기 가스가 상기 열전 발전부의 일부분만을 통해 유동하도록 상기 제 1 유로를 부분 개방하고 상기 제 2 유로 및 상기 제 3 유로는 폐쇄한다.
상술한 열전 발전 장치에서, 상기 제어부는, 상기 냉각수의 온도가 상기 냉각수 기준 온도보다 높거나 같고 상기 배기 가스의 온도가 상기 배기 가스 기준 온도보다 높거나 같을 때, 상기 배기 가스가 상기 열전 발전부 전체를 통해 유동하도록 상기 제 1 유로를 완전 개방하고 상기 제 2 유로 및 상기 제 3 유로는 폐쇄한다.
상술한 열전 발전 장치에서, 상기 제어부는, 상기 냉각수의 온도가 냉각수 과열 온도보다 높거나 같고 상기 배기 가스의 온도가 배기 가스 과열기준 온도보다 높거나 같을 때, 상기 배기 가스가 상기 제 3 유로만을 통해 배출되도록 상기 제 3 유로를 개방하고 상기 제 1 유로 및 상기 제 2 유로는 폐쇄한다.
상술한 열전 발전 장치에서, 상기 열전 발전부와 상기 열 교환부가 일체로 마련되어 열전 발전 모듈을 형성하고; 상기 열전 발전 모듈이 하우징 안에 내재된다.
상술한 열전 발전 장치에서, 상기 하우징 내부에 상기 열전 발전 모듈이 설치되고 남은 공간에 상기 제 3 유로가 형성된다.
상술한 목적의 본 발명에 따른 열전 발전 장치의 제어 방법은, 제 1 유로 상에 설치되어 상기 제 1 유로를 통과하는 배기 가스의 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 열전 발전부와, 제 2 유로 상에 설치되어 상기 제 2 유로를 통과하는 배기 가스와 열 교환을 수행하여 냉각수를 가열하는 열 교환부와, 유입된 배기 가스를 그대로 통과시키는 제 3 유로와, 상기 제 1 유로와 상기 제 2 유로, 상기 제 3 유로를 선택적으로 개방하거나 폐쇄하여 배기 가스의 유동 경로를 제어하는 밸브를 포함하는 열전 발전 장치의 제어 방법에 있어서, 상기 배기 가스의 온도와 상기 냉각수의 온도를 수신하는 단계와; 상기 배기 가스의 온도와 상기 냉각수의 온도에 따라 상기 밸브를 제어하여 상기 제 1 유로와 상기 제 2 유로, 상기 제 3 유로의 개방과 폐쇄를 가변 제어하는 단계를 포함한다.
상술한 열전 발전 장치의 제어 방법에서, 상기 밸브를 제어하는 단계는, 상기 냉각수의 온도가 냉각수 기준 온도보다 낮을 때, 상기 배기 가스가 상기 열전 발전부 및 상기 열 교환부만을 통해 유동하도록 상기 제 1 유로 및 상기 제 2 유로를 개방하고 상기 제 3 유로는 폐쇄하는 것을 더 포함한다.
상술한 열전 발전 장치의 제어 방법에서, 상기 밸브를 제어하는 단계는, 상기 냉각수의 온도가 상기 냉각수 기준 온도보다 높거나 같고 상기 배기 가스의 온도가 상기 배기 가스 기준 온도보다 낮을 때, 상기 배기 가스가 상기 열전 발전부의 일부분만을 통해 유동하도록 상기 제 1 유로를 부분 개방하고 상기 제 2 유로 및 상기 제 3 유로는 폐쇄하는 것을 더 포함한다.
상술한 열전 발전 장치의 제어 방법에서, 상기 밸브를 제어하는 단계는, 상기 냉각수의 온도가 상기 냉각수 기준 온도보다 높거나 같고 상기 배기 가스의 온도가 상기 배기 가스 기준 온도보다 높거나 같을 때,
상기 배기 가스가 상기 열전 발전부 전체를 통해 유동하도록 상기 제 1 유로를 완전 개방하고 상기 제 2 유로 및 상기 제 3 유로는 폐쇄하는 하는 것을 더 포함한다.
상술한 열전 발전 장치의 제어 방법에서, 상기 밸브를 제어하는 단계는, 상기 냉각수의 온도가 냉각수 과열 온도보다 높거나 같고 상기 배기 가스의 온도가 배기 가스 과열기준 온도보다 높거나 같을 때, 상기 배기 가스가 상기 제 3 유로만을 통해 배출되도록 상기 제 3 유로를 개방하고 상기 제 1 유로 및 상기 제 2 유로는 폐쇄하는 것을 더 포함한다.
상술한 열전 발전 장치의 제어 방법에서, 상기 열전 발전부와 상기 열 교환부가 일체로 마련되어 열전 발전 모듈을 형성하고; 상기 열전 발전 모듈이 하우징 안에 내재된다.
상술한 열전 발전 장치의 제어 방법에서, 상기 하우징 내부에 상기 열전 발전 모듈이 설치되고 남은 공간에 상기 제 3 유로가 형성된다.
상술한 목적의 본 발명에 따른 또 다른 열전 발전 장치는, 제 1 유로 상에 설치되어 상기 제 1 유로를 통과하는 배기 가스의 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 열전 발전부와; 제 2 유로 상에 설치되어 상기 제 2 유로를 통과하는 배기 가스와 열 교환을 수행하여 냉각수를 가열하는 열 교환부와; 상기 제 1 유로와 상기 제 2 유로를 선택적으로 개방하거나 폐쇄하여 배기 가스의 유동 경로를 제어하는 밸브를 포함한다.
상술한 목적의 본 발명에 따른 또 다른 열전 발전 장치는, 제 1 유로 상에 설치되어 상기 제 1 유로를 통과하는 배기 가스의 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 열전 발전부와; 제 2 유로 상에 설치되어 상기 제 2 유로를 통과하는 배기 가스와 열 교환을 수행하여 냉각수를 가열하는 열 교환부와; 유입된 배기 가스를 그대로 통과시키는 제 3 유로와; 상기 제 1 유로와 상기 제 2 유로, 상기 제 3 유로를 선택적으로 개방하거나 폐쇄하여 배기 가스의 유동 경로를 제어하는 밸브와; 상기 열전 발전부와 상기 열 교환부, 상기 밸브가 내재되는 하우징을 포함하고; 상기 하우징 내부에 상기 열전 발전부 및 상기 열 교환부가 설치되고 남은 공간에 상기 제 3 유로가 형성된다.
상술한 목적의 본 발명에 따른 또 다른 열전 발전 장치는, 제 1 유로 상에 설치되어 상기 제 1 유로를 통과하는 배기 가스의 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 열전 발전부와; 제 2 유로 상에 설치되어 상기 제 2 유로를 통과하는 배기 가스와 열 교환을 수행하여 냉각수를 가열하는 열 교환부와; 유입된 배기 가스를 그대로 통과시키는 제 3 유로와; 상기 제 1 유로와 상기 제 2 유로, 상기 제 3 유로를 선택적으로 개방하거나 폐쇄하여 배기 가스의 유동 경로를 제어하는 밸브와; 상기 배기 가스의 온도와 상기 냉각수의 온도에 따라 상기 밸브를 제어하여 상기 제 1 유로와 상기 제 2 유로, 상기 제 3 유로의 개방과 폐쇄를 가변 제어하는 제어부를 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 열전 발전 장치에 유입되는 배기 가스의 열량 조건 및 엔진 냉각수의 온도 조건에 따라 배기 가스의 유로를 가변 제어함으로써 자동차의 주행 조건 별 열전 발전 시스템의 최대 효율을 얻을 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 자동차를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 자동차의 열전 발전 장치의 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 열전 발전 장치의 열전 발전 모듈의 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 열전 발전 장치의 제어 계통을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 자동차의 열전 발전 장치의 제어 방법을 나타낸 도면이다.
도 6은 냉각수 온도가 기준 온도보다 낮을 때의 밸브의 상태를 나타낸 도면이다.
도 7은 냉각수 온도가 기준 온도보다 높거나 같고 또 배기 가스 온도가 기준 온도보다 낮을 때의 밸브의 상태를 나타낸 도면이다.
도 8은 냉각수 온도가 기준 온도보다 높거나 같고 또 배기 가스 온도 역시 기준 온도보다 높거나 같을 때의 밸브의 상태를 나타낸 도면이다.
도 9는 냉각수 온도가 과열 온도보다 높거나 같고 또 배기 가스 온도 역시 과열 온도보다 높거나 같을 때의 밸브의 상태를 나타낸 도면이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 자동차를 나타낸 도면이다. 도 1에는 특히 본 발명의 실시 예에 따른 자동차(100)의 엔진(102)에서 발생하는 배기 가스를 자동차(100)의 외부로 원활하게 배출하기 위한 배기 장치가 도시되어 있다. 배기 장치는 엔진(102) 내부에서 연료가 연소함으로써 발생하는 배기 가스를 자동차(100)의 외부로 배출한다. 또한 배기 장치는 배기 가스를 배출하는 과정에서 배기 가스에 포함되어 있는 유해 가스를 제거한다. 또한 배기 장치는 배기 가스가 배출될 때 발생하는 배기음(排氣音)의 음량과 음색을 조절하기도 한다.
엔진(102)에서 발생하는 배기 가스가 배출되는 과정을 다음과 같이 요약할 수 있다. 엔진(102)에서 발생하여 배출되는 배기 가스는 엔진(102)의 실린더 헤드의 배기 포트(Exhaust Port)를 통하여 배기 매니폴드(104)로 유입된 후 배기 파이프(106)에서 하나로 모아져 유해 가스를 정화하여 제거하기 위한 촉매 컨버터(108), 배기음의 음량과 음색을 조절하는 공명기(112) 및 머플러(114)를 거쳐서 최종적으로 테일 파이프(116)를 통해 외부로 배출된다.
배기 매니폴드(Exhaust Manifold)(104)는 엔진(102)에 구비된 다수의 실린더 각각에 연결된 배기관을 하나로 모은 것으로서 각 실린더 사이의 배기를 제어하여 간섭이 발생하지 않도록 하고 또 적정 배압(背壓)이 유지도록 한다. 촉매 컨버터(Catalytic Converter)(108)는 배기 가스를 정화하기 위한 것으로서, 배기 매니폴드(104)의 근처에 배치되는 매니폴드 촉매와 플로어 아래에 배치되어 있는 언더플로어 촉매를 포함한다. 공명기(Resonator)(112) 및 머플러(Muffler)(114)는 배기 가스의 온도와 압력을 낮추고 배기음의 음량과 음색을 조절한다.
도 1에서, 촉매 컨버터(108)와 공명기(112) 사이에는 본 발명의 실시 예에 따른 열전 발전 장치(110)가 장착된다. 열전 발전 장치(110)의 설치 위치는 촉매 컨버터(108)와 공명기(112) 사이로 한정되지 않으며, 배기 장치의 어느 곳에 설치되어도 좋다. 열전 발전 장치(110)는 배기 가스의 열 에너지를 전기 에너지로 변환하여 전력을 생산하는 장치이다. 열전 발전 장치(110)에서 생산되는 전력은 배터리를 충전하거나 직접 전장품에 전달되어 사용될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 자동차(100)의 열전 발전 장치(110)의 구조를 도 2 내지 도 4를 통해 자세히 설명하고자 한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 자동차의 열전 발전 장치의 구조를 나타낸 도면이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 열전 발전 장치(110)는 촉매 컨버터(108)와 공명기(112) 사이의 배기 유로 상에 장착된다. 열전 발전 장치(100)는 하우징(206)의 양단에 배기 파이프(106)가 연결됨으로써 배기 파이프(106)의 일측에서 타측으로 유동하는 배기 가스가 하우징(206) 내부의 열전 발전 모듈(202) 또는 바이패스 유로(208)를 거쳐간다.
도 2에서, 밸브(204)는 열전 발전 모듈(202) 및 바이패스 유로(208)를 지나는 배기 가스의 흐름을 조절한다. 즉 밸브(204)는 열전 발전 모듈(202)의 한쪽 면을 전체 폐쇄/전체 개방/부분 개방함으로써 열전 발전 모듈(202)을 통과하는 배기 가스 흐름을 제어한다. 또한 밸브(204)는 하우징(206) 내부에서 열전 발전 모듈(202)의 하부에 형성되는 바이패스 유로(208)를 개방/폐쇄함으로써 바이패스 유로(208)에서의 배기 가스의 흐름을 제어할 수 있다.
도 2에서, 밸브(204)는 열전 발전 모듈(202)의 한쪽 면을 전체적으로 또는 부분적으로 개방 또는 폐쇄한다. 이와 같은 밸브(204)의 개폐 작용은 열전 발전 모듈(202)의 일단에서 밸브(204)의 승강/하강에 의해 이루어진다. 즉 밸브(204)가 열전 발전 모듈(202)의 일단의 표면과 평행한 방향으로 승강/하강함으로써 열전 발전 모듈(202)의 유로의 전체/부분을 개방하거나 폐쇄할 수 있다. 열전 발전 장치(110) 내부로 유입되는 배기 가스의 유로는 밸브(204)에 의한 개방과 폐쇄를 통해 형성될 수 있다. 즉, 유입된 배기 가스는 밸브(204)에 의해 개방된 유로를 통해서만 흐르게 되고, 밸브(204)에 의해 폐쇄된 유로로는 흐르지 않게 된다.
밸브(204)의 일 측면에는 톱니(210)가 형성된다. 이 톱니(210)와 맞물리도록 설치되는 기어(214)는 모터(212)에 의해 회전한다. 즉, 모터(212)의 회전력이 기어(214)를 회전시키고, 기어(214)의 회전 운동에 의해 밸브(204)가 직선 운동을 하게 되어 밸브(204)의 승강/하강이 이루어진다. 모터(212)가 정회전할 때 밸브(204)의 승강이 이루어진다면 모터(212)가 역회전할 때 밸브(204)의 하강이 이루어질 수 있다.
열전 발전 모듈(202)의 아래 쪽 공간에는 바이패스 유로(208)가 형성된다. 바이패스 유로(208)는 열전 발전 장치(110)에 유입되는 배기 가스가 열전 발전 모듈(202)을 거치지 않고 그대로 통과하여 열전 발전 장치(110)로부터 배출되는 통로이다. 따라서 바이패스 유로(208)를 통과하는 배기 가스는 열전 발전 및 열 교환에는 기여하지 않는다. 바이패스 유로(208)의 개방/폐쇄 역시 밸브(204)의 승강/하강에 의해 이루어진다. 즉, 밸브(204)가 충분히 상승하면 바이패스 유로(208)가 개방되고, 반대로 밸브(204)가 충분히 하강하면 바이패스 유로(208)가 밸브(204)에 의해 폐쇄된다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 열전 발전 장치의 열전 발전 모듈의 구조를 나타낸 도면이다. 도 3에서, 열전 발전 장치(110)로 유입되는 배기 가스는 세 부분으로 구분되는 유로들 가운데 적어도 하나의 유로를 통과하게 된다. 열전 발전 모듈(202)의 열전 발전부(350)를 통과하는 유로 및 가열부(254)를 통과하는 유로와 함께, 열전 발전 모듈(202)의 아래쪽에 형성되는 바이패스 유로(208)가 그것이다.
열전 발전 모듈(202)의 열전 발전부(350)를 통과하는 배기 가스는 열전 발전부(350)를 통과하면서 전력 생산에 기여한다. 본 발명의 실시 예에 따른 자동차(100)의 열전 발전 장치(110)는 제벡 효과(Seebeck Effect)를 이용하여 배기 가스의 열을 고온 열원으로 이용하거나 배기 가스의 열을 전기 에너지로 전환한다. 제벡 효과는 두 종류의 금속 또는 반도체의 양 끝을 접합하여 거기에 온도 차를 유발하면 회로에 열 기전력이 발생하는 것을 말한다. 도 3에 나타낸 열전 발전 모듈(202)의 열전 발전부(350)에는 복수의 슬릿(352)이 형성되고, 이 슬릿(352)의 내부에는 핀(Fin) 구조물(354)이 설치된다. 슬릿(352) 내부를 통과하는 배기 가스의 열은 핀 구조물(354)에 흡수된다. 슬릿(352)의 바깥 둘레에는 열전 소자(356)가 둘러싸고 있다. 열전 소자(356)의 외측은 냉각수(370)로 채워진다. 즉, 핀 구조물(354) - 열전 소자(356) - 냉각수(370)의 순서로 배치되어 핀 구조물(354)과 냉각수(370) 사이의 온도 차에 의해 열전 소자(356)로부터 전력이 생산될 수 있다. 즉, 슬릿(352) 내부의 핀 구조물(354)은 배기 가스로부터 열을 흡수하여 고온의 상태이고, 슬릿(352) 둘레의 열전 소자(356)는 냉각수(370)에 의해 저온인 상태에서, 고온의 핀 구조물(354)과 저온의 열전 소자(356) 사이의 온도 차로 인해 기전력이 발생하여 전력이 생산된다(제벡 효과).
열전 발전 모듈(202)의 열 교환부(360)를 통과하는 배기 가스는 열 교환부(360)를 통과하면서 열 교환을 통해 냉각수를 가열하는데 기여한다. 도 3에 나타낸 열전 발전 모듈(202)의 열 교환부(360)에는 복수의 슬릿(362)이 형성되고, 이 슬릿(363)의 내부에는 핀(Fin) 구조물(364)이 설치된다. 슬릿(362) 내부를 통과하는 배기 가스의 열은 핀 구조물(364)에 흡수된다. 앞서 설명한 열전 발전부(350)와는 달리, 열 교환부(360)의 슬릿(362)의 둘레는 냉각수(370)와 직접 접촉한다. 따라서 배기 가스로부터 열을 흡수한 고온의 핀 구조물(364)과 저온의 냉각수(370) 사이의 직접 열 교환을 통해 냉각수(370)가 가열된다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 열전 발전 장치의 제어 계통을 모식적으로 나타낸 도면이다. 제어부(402)는 열전 발전 장치(110)의 동작 전반을 제어하는 전자 제어 장치(Electronic Control Unit)일 수 있다. 이와 같은 제어부(402)는 열전 발전 장치(110)의 구성 요소들 가운데 하나일 수 있다. 또는 제어부(402)는 열전 발전 장치(110)와는 별개로 마련되는 외부의 전자 제어 장치일 수 있다. 제어부(402)는 냉각수 온도 및 배기 가스 온도의 정보를 수신하고, 수신된 냉각수 온도 및 배기 가스 온도에 기초하여 밸브(204)을 구동하기 위한 제어 신호를 발생시킨다. 즉 제어부(402)는 제어 신호를 발생시켜서 모터(212)의 회전 방향 및 회전량을 제어하고, 이로 인해 밸브(204)의 이동 방향 및 이동 거리의 조정이 이루어진다. 이와 같은 밸브(204)의 이동 방향 및 이동 거리의 조정에 의해 열전 발전 장치(110) 내에서 배기 가스가 지나는 경로가 결정된다.
이하에서는, 도 5 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 자동차(100)의 열전 발전 장치(110)의 제어 방법과 밸브(204)의 개폐 동작을 설명하고자 한다.
먼저 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 자동차의 열전 발전 장치의 제어 방법을 나타낸 도면이다. 도 5에 나타낸 제어 방법에 따르면, 제어부(402)는 냉각수 온도 및 배기 가스 온도의 정보에 기초하여 배기 가스의 유로를 적절히 조정하기 위한 제어 신호를 발생시킴으로써 배기 가스의 온도와 냉각수의 온도에 맞는 효율적인 열전 발전 제어 및 열 교환 제어를 수행할 수 있다. 즉, 제어부(402)는, 냉각수의 온도와 배기 가스의 온도에 따라 밸브(204)를 이동 방향 및 이동 거리를 조정하여 열전 발전부(350)와 열 교환부(360), 바이패스 유로(208)의 개폐 정도를 제어함으로써 배기 가스의 유로를 제어한다.
이를 위해 제어부(402)는 냉각수 온도와 배기 가스 온도를 각각의 기준 온도와 비교한다. 냉각수의 기준 온도와 배기 가스의 기준 온도는 그 값이 서로 다를 수 있다. 냉각수의 기준 온도는 차량 웜 업과 관련된 온도이고, 배기 가스의 기준 온도는 열전 발전 효율 또는 열 교환 효율이 충분한 온도와 충분하지 않은 온도를 구분하기 위한 기준이 되는 온도 값이다. 즉, 냉각수가 기준 온도보다 낮으면 차량 웜 업이 필요한 상태이고, 배기 가스 온도가 기준 온도보다 낮으면 발전 효율 또는 열 교환 효율이 상대적으로 낮은 경우이고, 반대로 배기 가스의 온도가 기준 온도보다 높거나 같으면 발전 효율 또는 열 교환 효율이 상대적으로 높은 경우이다.
또한 제어부(402)는 냉각수의 온도와 배기 가스의 온도를 각각의 과열 온도와 비교한다. 냉각수의 과열 온도와 배기 가스의 과열 온도는 그 값이 서로 다를 수 있다. 냉각수의 과열 온도 및 배기 가스의 과열 온도는 열전 발전 효율 또는 열 교환 효율이 충분한 온도를 넘어서 과열의 위험이 예상되는지를 구분하기 위한 기준이 되는 온도 값이다. 즉, 냉각수의 온도와 배기 가스의 온도가 각각의 과열 온도보다 높거나 같으면 과열의 위험이 예상되는 경우이다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 제어부(402)는 먼저 냉각수 온도 및 배기 가스 온도의 정보를 수신한다(502). 제어부(402)는 냉각수 온도 및 배기 가스 온도의 정보를 수신하여 기준 온도 또는 과열 온도와 비교한 후 현재의 냉각수 온도 및 배기 가스 온도에 따라 참조 부호 504 내지 510에 나타낸 것처럼 밸브(204)를 가변 제어한다.
도 5의 504에 나타낸 바와 같이, 만약 냉각수 온도가 기준 온도보다 낮으면, 제어부(402)는 밸브(204)를 제어하여 열전 발전부(350) 및 열 교환부(360) 전체를 개방하고 바이패스 유로(208)는 폐쇄한다(504). 이와 같은 밸브(204)의 상태를 도 6에 나타내었다. 도 6은 냉각수 온도가 낮을 때의 밸브(204)의 상태를 나타낸 도면이다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 이 경우에는 열전 발전부(350) 및 열 교환부(360) 전체를 개방하고 바이패스 유로(208)는 폐쇄한다.
도 5의 504에서, 냉각수 온도가 기준 온도보다 낮으면(저온) 엔진(102)의 상태가 시동 직후 웜 업 단계인 것으로 볼 수 있다. 이 때 제어부(402)는 냉각수 및 배기 가스의 온도가 낮아서 충분한 발전 효율 및 열 교환 효율을 기대할 수 없다고 판단하여 열전 발전부(350) 및 열 교환부(360) 전체를 개방하고 바이패스 유로(208)는 폐쇄함으로써 배기 가스가 열전 발전부(350) 및 열 교환부(360)에 집중되도록 하고 바이패스 유로(208)로는 통과하지 않도록 한다. 이 경우 배기 가스가 열전 발전부(350) 및 열 교환부(360)만을 통과하는데, 배기 가스의 온도가 비교적 낮기 때문에 열전 발전 효율은 크게 기대하기 어렵지만 배기 가스가 열 교환부(360)를 통과하면서 냉각수를 보다 신속하게 가열한다. 엔진(102)의 웜 업 단계에서 냉각수를 신속하게 가열하면 엔진(102)의 웜 업 시간을 단축시킬 수 있고 또 탑승 공간의 난방도 빠르게 실시할 수 있다. 그 밖에도 비교적 높은 온도의 열 에너지가 필요한 상황에 보다 신속하게 대처할 수 있다.
도 5의 506에 나타낸 바와 같이, 만약 냉각수 온도가 기준 온도보다 높거나 같고(고온) 또 배기 가스 온도가 기준 온도보다 낮으면(저온), 제어부(402)는 밸브(204)를 제어하여 열전 발전부(350)의 일부분만을 개방하고 열전 발전부(350)의 나머지 부분과 열 교환부(360) 전체, 바이패스 유로(208) 전체를 폐쇄한다(506). 이와 같은 밸브(204)의 상태를 도 7에 나타내었다. 도 7은 냉각수 온도가 기준 온도보다 높거나 같고 또 배기 가스 온도가 기준 온도보다 낮을 때의 밸브(204)의 상태를 나타낸 도면이다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 이 경우에는 열전 발전부(350)의 일부분만을 개방하고 열전 발전부(350)의 나머지 부분과 열 교환부(360) 전체, 바이패스 유로(208) 전체를 폐쇄한다.
도 5의 506에서, 냉각수 온도가 기준 온도보다 높거나 같고(고온) 또 배기 가스 온도가 기준 온도보다 낮으면(저온), 엔진(102)의 상태가 비교적 낮은 rpm으로 운전중인 것으로 볼 수 있다. 즉 자동차(100)가 저속으로 주행 중인 것으로 볼 수 있다. 이 때 제어부(402)는 냉각수의 온도가 고온인 반면에 배기 가스의 온도는 상대적으로 저온이어서 배기 가스로부터 공급받는 열량이 낮기 때문에, 열전 발전부(350)의 일부분만을 개방하고 열전 발전부(350)의 나머지 일부분과 열 교환부(360) 전체, 바이패스 유로(208) 전체를 폐쇄함으로써 배기 가스가 통과하는 열전 발전부(350)의 일부분에만 집중되도록 하여 전력이 생산되도록 한다. 이와 같은 밸브(204)의 제어를 통해, 제어부(402)는 냉각수 온도가 기준 온도보다 높거나 같고(고온) 또 배기 가스 온도가 기준 온도보다 낮은(저온) 상황에서도 열전 발전부(350)의 일부분에서 집중적으로 발전이 이루어지도록 제어함으로써 전력 생산 효율이 증대되도록 한다.
도 5의 508에 나타낸 바와 같이, 만약 냉각수 온도가 기준 온도보다 높거나 같고(고온) 또 배기 가스 온도 역시 기준 온도보다 높거나 같으면(고온), 제어부(402)는 밸브(204)를 제어하여 열전 발전부(350)의 전체를 개방하고 열 교환부(360) 전체 및 바이패스 유로(208) 전체를 폐쇄한다(508). 이와 같은 밸브(204)의 상태를 도 8에 나타내었다. 도 8은 냉각수 온도가 기준 온도보다 높거나 같고 또 배기 가스 온도 역시 기준 온도보다 높거나 같을 때의 밸브(204)의 상태를 나타낸 도면이다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 이 경우에는 열전 발전부(350)의 전체를 개방하고 열 교환부(360) 전체 및 바이패스 유로(208) 전체를 폐쇄한다.
도 5의 508에서, 냉각수 온도가 기준 온도보다 높거나 같고(고온) 또 배기 가스 온도 역시 기준 온도보다 높거나 같으면(고온), 엔진(102)의 상태가 비교적 높은 rpm으로 운전중인 것으로 볼 수 있다. 즉 자동차(100)가 고속으로 주행 중인 것으로 볼 수 있다. 이 때 제어부(402)는 냉각수의 온도가 고온이고 배기 가스의 온도 역시 고온이어서 배기 가스로부터 공급받는 열량이 충분하다고 판단하여 열전 발전부(350) 전체를 개방하고 열 교환부(360) 전체 및 바이패스 유로(208) 전체를 폐쇄함으로써 배기 가스가 열전 발전부(350) 전체에 집중되도록 하고, 열 교환부(360) 및 바이패스 유로(208)로는 통과하지 않도록 한다. 이와 같은 밸브(204)의 제어를 통해, 제어부(402)는 배기 가스 온도가 충분히 높아서 배기 가스로부터 공급받는 열량이 충분한 상황에서 열전 발전부(350)에만 배기 가스가 집중되도록 함으로써 열전 발전부(350)에서 최대의 전력이 생산되도록 할 수 있다.
도 5의 510에 나타낸 바와 같이, 만약 냉각수 온도가 과열 온도보다 높거나 같고 또 배기 가스 온도 역시 과열 온도보다 높거나 같으면, 제어부(402)는 밸브(204)를 제어하여 열전 발전부(350) 전체 및 열 교환부(360) 전체를 폐쇄하고 바이패스 유로(208)만을 개방한다(510). 이와 같은 밸브(204)의 상태를 도 9에 나타내었다. 도 9는 냉각수 온도가 과열 온도보다 높거나 같고 또 배기 가스 온도 역시 과열 온도보다 높거나 같을 때의 밸브(204)의 상태를 나타낸 도면이다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 이 경우에는 열전 발전부(350) 전체 및 열 교환부(360) 전체를 폐쇄하고 바이패스 유로(208)는 개방한다.
도 5의 510에서, 냉각수 온도가 과열 온도보다 높거나 같고(과열) 또 배기 가스 온도 역시 과열 온도보다 높거나 같으면(과열) 엔진(102)의 과열 위험을 예상할 수 있다. 이 때 제어부(402)는 열전 발전 및 열 교환을 포기하고 열전 발전부(350) 및 열 교환부(360) 전체를 폐쇄한 채 바이패스 유로(208)만을 개방함으로써 배기 가스가 열전 발전부(350) 및 열 교환부(360)를 통과하지 않고 바이패스 유로(208)만을 통과하도록 한다. 따라서 열전 발전부(350) 및 열 교환부(360)에서 열전 발전 및 열 교환은 이루어지지 않으므로 냉각수의 온도 상승에는 기여하지 않는다. 대신, 고온의 배기 가스가 바이패스 유로(208)만을 통해 빠르게 외부로 배출되기 때문에 엔진(102)의 과열을 막을 수 있다.
이처럼, 본 발명의 실시 예에 따른 자동차(100)의 열전 발전 장치(110)는 배기 가스의 열을 이용하여 전력을 생산하되, 엔진(102)의 각 상태마다 열전 발전 장치(110)에서 생산되는 전력량의 편차가 최소가 되도록 한다. 열전 발전 장치(110)에서 생산되는 전력은 DC-DC 컨버터를 통해 배터리를 충전하는데 사용되거나, 또는 자동차(100)의 여러 전장 요소들에 직접 전달되어 사용될 수 있다. DC-DC 컨버터는 직류 입력을 정류하여 역시 직류 출력을 발생시키는데, 만약 DC-DC 컨버터에 입력되는 직류 전력(예를 들면 열전 발전 모듈(110)에서 생산되는 직류 전력)이 안정되지 않고 엔진(102)의 매 상황마다 전력 생산량의 편차가 크다면 DC-DC 컨버터는 엔진(102)의 매우 다양한 상황에 모두 대처할 수 있도록 하기 위해 다양한 기능을 갖도록 복잡하게 설계되어야 한다. 이는 곧 부품 가격의 상승을 초래한다. 그러나, 본 발명의 실시 예처럼, 열전 발전 모듈(110)에서 엔진(102)의 매 상황마다 편차가 최소가 되도록 전력을 생산한다면 DC-DC 컨버터에 입력되는 전력 역시 편차가 최소가 되어 예측 가능한 수준으로 안정될 수 있다. 따라서 도 5에 나타낸 것과 같은 몇 가지 상황만을 고려하여 대처하도록 DC-DC 컨버터를 설계하면 그만이므로 DC-DC 컨버터의 구조가 단순해질 수 있고 비용 역시 절감될 수 있다.
위의 설명은 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 위에 개시된 실시 예 및 첨부된 도면들은 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 기술적 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 그 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 자동차
110 : 열전 발전 장치
202 : 열전 발전 모듈
204 : 밸브
208 : 바이패스 유로
350 : 열전 발전부
352, 362 : 슬릿
354, 364 : 핀 구조물
356 : 열전 소자
360 : 열 교환부
370 : 냉각수

Claims (18)

  1. 제 1 유로 상에 설치되어 상기 제 1 유로를 통과하는 배기 가스의 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 열전 발전부와;
    제 2 유로 상에 설치되어 상기 제 2 유로를 통과하는 배기 가스와 열 교환을 수행하여 냉각수를 가열하는 열 교환부와;
    유입된 배기 가스를 그대로 통과시키는 제 3 유로와;
    상기 제 1 유로와 상기 제 2 유로, 상기 제 3 유로를 선택적으로 개방하거나 폐쇄하여 배기 가스의 유동 경로를 제어하는 밸브를 포함하는 열전 발전 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 배기 가스의 온도와 상기 냉각수의 온도에 따라 상기 밸브를 제어하여 상기 제 1 유로와 상기 제 2 유로, 상기 제 3 유로의 개방과 폐쇄를 가변 제어하는 제어부를 더 포함하는 열전 발전 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 냉각수의 온도가 냉각수 기준 온도보다 낮을 때,
    상기 배기 가스가 상기 열전 발전부 및 상기 열 교환부만을 통해 유동하도록 상기 제 1 유로 및 상기 제 2 유로를 개방하고 상기 제 3 유로는 폐쇄하는 열전 발전 장치.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 냉각수의 온도가 상기 냉각수 기준 온도보다 높거나 같고 상기 배기 가스의 온도가 상기 배기 가스 기준 온도보다 낮을 때,
    상기 배기 가스가 상기 열전 발전부의 일부분만을 통해 유동하도록 상기 제 1 유로를 부분 개방하고 상기 제 2 유로 및 상기 제 3 유로는 폐쇄하는 열전 발전 장치.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 냉각수의 온도가 상기 냉각수 기준 온도보다 높거나 같고 상기 배기 가스의 온도가 상기 배기 가스 기준 온도보다 높거나 같을 때,
    상기 배기 가스가 상기 열전 발전부 전체를 통해 유동하도록 상기 제 1 유로를 완전 개방하고 상기 제 2 유로 및 상기 제 3 유로는 폐쇄하는 열전 발전 장치.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 냉각수의 온도가 냉각수 과열 온도보다 높거나 같고 상기 배기 가스의 온도가 배기 가스 과열기준 온도보다 높거나 같을 때,
    상기 배기 가스가 상기 제 3 유로만을 통해 배출되도록 상기 제 3 유로를 개방하고 상기 제 1 유로 및 상기 제 2 유로는 폐쇄하는 열전 발전 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전 발전부와 상기 열 교환부가 일체로 마련되어 열전 발전 모듈을 형성하고;
    상기 열전 발전 모듈이 하우징 안에 내재되는 열전 발전 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 하우징 내부에 상기 열전 발전 모듈이 설치되고 남은 공간에 상기 제 3 유로가 형성되는 열전 발전 장치.
  9. 제 1 유로 상에 설치되어 상기 제 1 유로를 통과하는 배기 가스의 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 열전 발전부와, 제 2 유로 상에 설치되어 상기 제 2 유로를 통과하는 배기 가스와 열 교환을 수행하여 냉각수를 가열하는 열 교환부와, 유입된 배기 가스를 그대로 통과시키는 제 3 유로와, 상기 제 1 유로와 상기 제 2 유로, 상기 제 3 유로를 선택적으로 개방하거나 폐쇄하여 배기 가스의 유동 경로를 제어하는 밸브를 포함하는 열전 발전 장치의 제어 방법에 있어서,
    상기 배기 가스의 온도와 상기 냉각수의 온도를 수신하는 단계와;
    상기 배기 가스의 온도와 상기 냉각수의 온도에 따라 상기 밸브를 제어하여 상기 제 1 유로와 상기 제 2 유로, 상기 제 3 유로의 개방과 폐쇄를 가변 제어하는 단계를 포함하는 열전 발전 장치의 제어 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 밸브를 제어하는 단계는,
    상기 냉각수의 온도가 냉각수 기준 온도보다 낮을 때,
    상기 배기 가스가 상기 열전 발전부 및 상기 열 교환부만을 통해 유동하도록 상기 제 1 유로 및 상기 제 2 유로를 개방하고 상기 제 3 유로는 폐쇄하는 것을 더 포함하는 열전 발전 장치의 제어 방법.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 밸브를 제어하는 단계는,
    상기 냉각수의 온도가 상기 냉각수 기준 온도보다 높거나 같고 상기 배기 가스의 온도가 상기 배기 가스 기준 온도보다 낮을 때,
    상기 배기 가스가 상기 열전 발전부의 일부분만을 통해 유동하도록 상기 제 1 유로를 부분 개방하고 상기 제 2 유로 및 상기 제 3 유로는 폐쇄하는 것을 더 포함하는 열전 발전 장치의 제어 방법.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 밸브를 제어하는 단계는,
    상기 냉각수의 온도가 상기 냉각수 기준 온도보다 높거나 같고 상기 배기 가스의 온도가 상기 배기 가스 기준 온도보다 높거나 같을 때,
    상기 배기 가스가 상기 열전 발전부 전체를 통해 유동하도록 상기 제 1 유로를 완전 개방하고 상기 제 2 유로 및 상기 제 3 유로는 폐쇄하는 것을 더 포함하는 열전 발전 장치의 제어 방법.
  13. 제 9 항에 있어서, 상기 밸브를 제어하는 단계는,
    상기 냉각수의 온도가 냉각수 과열 온도보다 높거나 같고 상기 배기 가스의 온도가 배기 가스 과열기준 온도보다 높거나 같을 때,
    상기 배기 가스가 상기 제 3 유로만을 통해 배출되도록 상기 제 3 유로를 개방하고 상기 제 1 유로 및 상기 제 2 유로는 폐쇄하는 것을 더 포함하는 열전 발전 장치의 제어 방법.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 열전 발전부와 상기 열 교환부가 일체로 마련되어 열전 발전 모듈을 형성하고;
    상기 열전 발전 모듈이 하우징 안에 내재되는 열전 발전 장치의 제어 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 하우징 내부에 상기 열전 발전 모듈이 설치되고 남은 공간에 상기 제 3 유로가 형성되는 열전 발전 장치의 제어 방법.
  16. 제 1 유로 상에 설치되어 상기 제 1 유로를 통과하는 배기 가스의 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 열전 발전부와;
    제 2 유로 상에 설치되어 상기 제 2 유로를 통과하는 배기 가스와 열 교환을 수행하여 냉각수를 가열하는 열 교환부와;
    상기 제 1 유로와 상기 제 2 유로를 선택적으로 개방하거나 폐쇄하여 배기 가스의 유동 경로를 제어하는 밸브를 포함하는 열전 발전 장치.
  17. 제 1 유로 상에 설치되어 상기 제 1 유로를 통과하는 배기 가스의 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 열전 발전부와;
    제 2 유로 상에 설치되어 상기 제 2 유로를 통과하는 배기 가스와 열 교환을 수행하여 냉각수를 가열하는 열 교환부와;
    유입된 배기 가스를 그대로 통과시키는 제 3 유로와;
    상기 제 1 유로와 상기 제 2 유로, 상기 제 3 유로를 선택적으로 개방하거나 폐쇄하여 배기 가스의 유동 경로를 제어하는 밸브와;
    상기 열전 발전부와 상기 열 교환부, 상기 밸브가 내재되는 하우징을 포함하고;
    상기 하우징 내부에 상기 열전 발전부 및 상기 열 교환부가 설치되고 남은 공간에 상기 제 3 유로가 형성되는 열전 발전 장치.
  18. 제 1 유로 상에 설치되어 상기 제 1 유로를 통과하는 배기 가스의 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 열전 발전부와;
    제 2 유로 상에 설치되어 상기 제 2 유로를 통과하는 배기 가스와 열 교환을 수행하여 냉각수를 가열하는 열 교환부와;
    유입된 배기 가스를 그대로 통과시키는 제 3 유로와;
    상기 제 1 유로와 상기 제 2 유로, 상기 제 3 유로를 선택적으로 개방하거나 폐쇄하여 배기 가스의 유동 경로를 제어하는 밸브와;
    상기 배기 가스의 온도와 상기 냉각수의 온도에 따라 상기 밸브를 제어하여 상기 제 1 유로와 상기 제 2 유로, 상기 제 3 유로의 개방과 폐쇄를 가변 제어하는 제어부를 포함하는 자동차의 열전 발전 장치.
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