KR20200129492A - 전기자동차용 히트펌프 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

전기자동차용 히트펌프 시스템 및 그 제어방법 Download PDF

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KR20200129492A
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outdoor
heat exchanger
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최인호
이주성
김경환
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템은, 실외 열교환기에 송풍을 제공하는 실외팬, 냉각수라인에 설치되며, 파워트레인 모듈 또는 배터리를 순환하는 냉각수의 온도를 감지하는 냉각수온도센서, 상기 실외 열교환기의 일측에 설치되며, 상기 실외 열교환기를 통과한 냉매의 압력으로 규정되는 실외열교환기 출구압력을 감지하는 실외열교환센서 및 상기 압축기의 흡입측에 설치되며, 상기 압축기로 유입되는 냉매의 온도로 규정되는 압축기 입구온도를 감지하는 압축기입구센서를 포함할 수 있다. 그리고 상기 냉각수온도센서, 상기 실외열교환센서 및 상기 압축기입구센서로부터 감지된 정보를 기초로, 착상 발생 여부를 판단할 수 있다.

Description

전기자동차용 히트펌프 시스템 및 그 제어방법 {Heat pump system for electric vehicle and control method thereof}
본 발명은 전기자동차용 히트펌프 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
전기자동차는 자동차의 구동 에너지를 화석연료의 연소로부터가 아닌, 전기에너지로부터 얻는 자동차로 정의된다.
일반적으로, 상기 전기자동차에는 배터리, 구동모터, 감속기, 인버터, 컨버터, 온보더차져(OBD) 등이 포함될 수 있다. 그리고 상기 전기자동차는, 전기 에너지를 상기 배터리로부터 상기 구동모터로 공급하여 구동력을 발생시킬 수 있다. 따라서, 상기 전기자동차는 상기 배터리의 소모전력을 저감할수록 1회 충전당 주행거리를 증가시킬 수 있다.
상기 전기자동차는 전기 에너지의 효율적인 사용과 실내(또는 객실)를 냉방 또는 난방하기 위해 히트펌프 시스템을 포함할 수 있다. 이러한, 전기자동차용 히트펌프 시스템은, 압축기, 유로 전환 밸브, 실외 열교환기, 실내 열교환기 및 팽창밸브를 포함할 수 있다.
냉방모드에서 상기 전기자동차용 히트펌프 시스템은, 압축기에서 압축된 고압의 기상냉매가 실외 열교환기를 통해 응축된 후 팽창밸브를 거쳐 실내 열교환기에서 증발할 수 있다. 따라서, 상기 실내는 냉방될 수 있다.
난방모드에서 상기 전기자동차용 히트펌프 시스템은, 압축기에서 압축된 고압의 기상냉매가 실내 열교환기를 통과하면서 실내팬의 송풍력에 의해 외기와 열교환될 수 있다. 여기서, 열교환된 냉매는 응축되고, 외기는 열을 흡수하므로 온도가 상승할 수 있다.
상기 온도가 상승한 외기는 실내팬의 송풍에 의해 실내로 토출된다. 따라서, 상기 실내는 난방될 수 있다. 한편, 응축된 냉매는 팽창밸브를 거쳐 실외 열교환기에서 증발된 후 압축기로 회수될 수 있다.
한편, 난방모드에서 실외 열교환기의 관내를 유동하는 냉매의 증발온도가 0도(°C) 이하로 유지되면 상기 실외 열교환기의 표면에 존재하는 습공기의 응축수에 서리가 발생하여 표면에 부착되는 현상이 발생할 수 있다. 이와 같은 현상을 착상(frost sticking)이라 정의한다.
상기 착상이 진행되면 열교환을 방해하기 때문에 난방성능이 저하되며, 상기 착상이 지속적으로 유지되면 실내의 열적 쾌적감이 떨어지고, 습압축 등에 의한 압축기 신뢰성에 문제가 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해, 종래 전기자동차용 히트펌프 시스템은 제상모드로 운전할 수 있다. 따라서, 상기 착상의 발생 여부 판단은 상기 제상모드를 진행하기 위해 매우 중요하다.
그러나, 종래 전기자동차용 히트펌프 시스템에는 아래와 같은 문제가 있다.
첫째, 전기자동차용 히트펌프 시스템에서 효과적이고 신뢰성이 높은 착상 판단인자를 제공하지 못하는 문제가 있다. 결국, 착상을 정확하게 판단하지 못하고, 효율적인 제상모드를 진행하기 어려운 문제가 있다.
둘째, 제상모드에서는 실내 열교환기가 증발기로 작동하여 냉매의 난방사이클이 냉방사이클로 전환되는데, 제상모드가 빈번하게 돌입되어 제상에너지를 증가시키므로 배터리의 소모전력도 증가시키는 문제가 있다.
셋째, 정밀하고 정확한 착상 판단인자가 제공되지 않는다면, 불완전한 제상(defrosting)으로 실외 열교환기의 표면에 남은 결빙이 있거나 고여있는 응축수에 의해 난방사이클 전환시 착상이 촉진되어 난방성능 하락이 심화되는 문제가 있다.
넷째, 히트펌프 운전시간에 대한 고려가 없이, 온도와 압력을 설정 값과 비교하여 제상모드 돌입을 판단하기 때문에 착상 이외의 원인에 의하여 제상모드가 돌입할 수 있는 문제가 있다. 즉, 난방과 제상 사이클이 비효율적으로 수행되는 문제가 있다.
다섯째, 비효율적인 제상모드로 인하여, 배터리 소모전력이 상대적으로 높아지고, 에너지 소비가 많아지는 문제가 있다.
여섯째, 시동의 온/오프(ON/OFF)가 빈번한 전기자동차의 운전특성을 고려하지 못하고 제상모드를 진행하는 문제가 있다. 이에 의하면, 제상중단에 따른 고려가 없이 기존의 설정된 로직을 따라 제상모드를 판단하게 되어 제상효율이 매우 떨어지는 문제가 있다.
일곱째, 제상완료 후 다시 난방모드로 전환되는 과정에서, 실내의 상대습도가 급격하게 상승하여 실내 유리창의 이슬이 맺히는 현상(“프래쉬 포깅”)에 대한 방지 방법이 전무한 문제가 있다. 결국, 운전자의 시야 방해하고 주행 안전에 악영향을 끼치는 문제가 있다.
여덟째, 히트펌프 시스템 구성이 복잡한 문제가 있다. 이에 의하면, 부품의 수와 크기가 증가하게 되어 전기자동차의 제약적인 설치공간에 적용하기 어려운 문제가 있다.
아홉째, 히트펌프 시스템의 다양한 문전모드 또는 요구되는 부하에 따라, 전기자동차의 주위 환경을 적절하고 유연하게 활용하는 방안이 부족한 문제가 있다. 이에 의하면, 냉방 또는 난방모드에서 적절한 과냉도 확보를 통한 사이클의 성능 향상을 기대하기 어려우며, 결국, 배터리의 과도한 전력소모가 발생하는 문제가 있다.
이와 관련된 선행기술문헌 정보는 아래와 같다.
KR1020130014535 A, 히트 펌프 시스템 및 그 제어 방법 KR1020150098167 A, 자동차의 공조 시스템 열교환기를 제상하는 방법
본 발명은 상기한 문제를 해결할 수 있는 전기자동차용 히트펌프 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
특히, 본 발명은 정밀하고 정확한 착상 판단인자를 이용하여 제상의 효율을 높이는 전기자동차용 히트펌프 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 시동의 온/오프가 빈번한 전기자동차의 특성을 고려하여 착상 여부를 판단하고 열교환기의 제상을 수행할 수 있는 전기자동차용 히트펌프 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 제상모드에서 냉매와 서리 간의 열교환을 향상시킬 수 있는 전기자동차용 히트펌프 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 제상모드와 난방모드의 전환 과정에서 전기자동차의 주행 중 안전성을 향상시킬 수 있는 전기자동차용 히트펌프 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 실내 공기조화를 위한 다양한 운전모드를 단일의 보조 열교환기를 이용하여 구현할 수 있는 전기자동차용 히트펌프 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 전기자동차의 협소한 설치공간에 알맞도록 어큐뮬레이터와 과냉각 열교환기의 기능을 통합하며, 컴팩트(compact)한 구조를 가지는 보조 열교환기가 구비되는 전기자동차용 히트펌프 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 실내 탑승자의 온열 괘적감을 향상시키는 동시에, 배터리 소모전력을 저감시킬 수 있는 전기자동차용 히트펌프 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 파워트레인, 온보드차져(On Board Charger), 배터리 등 전기자동차의 냉각수 사이클에서 발생되는 폐열을 냉매 사이클에 활용할 수 있는 전기자동차용 히트펌프 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 1회 충전당 주행거리를 증가시킬 수 있는 전기자동차용 히트펌프 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템은, 난방모드에서 실외 열교환기의 착상 발생 여부를 판단하기 전에, 실외 열교환기가 아닌 파워트레인칠러 또는 배터리쿨러를 증발기로 사용하는 폐열회수모드의 조건을 만족하는지 판단할 수 있다.
또한, 제상모드로 운전 중 전기자동차의 시동 오프(OFF)로 인한 운행중단 기록이 있는 경우 착상 발생 여부를 판단하기 위한 조건에서 난방모드 운전시간을 제외하는 특징이 있다.
또한, 착상 여부를 판단하기 위해, 난방모드의 연속운전시간, 실외온도, 압축기 입구온도, 실외열교환기 출구압력 및 지속시간을 판단인자로 사용하는 특징이 있다.
또한, 상기 실외열교환기 출구압력은, 미리 설정된 시간마다 측정될 수 있다. 그리고 상기 미리 설정된 시간마다 측정된 상기 실외열교환기 출구압력이 미리 설정된 횟수만큼 생성된 경우, 평균압력을 계산할 수 있다.
또한, 상기 계산된 평균압력과 미리 설정된 난방모드의 연속운전시간이 경과한 후 측정된 실외열교환기 출구압력을 기초로 실외열교환기 출구압력의 변화량을 산출할 수 있다. 그리고 상기 산출된 실외열교환기 출구압력의 변화량은 착상 발생을 판단하는 판단인자로 사용할 수 있다. 이에 의하면, 직접적, 즉각적이고 정확하게 착상 발생을 판단할 수 있다.
또한, 제상모드가 수행되는 경우, 실외팬을 오프(OFF)시키는 특징이 있다. 이에 의하면, 열손실을 유발하는 대류 열전달을 방지할 수 있다.
또한, 제상모드 종료 후 난방모드로 전환시, 압축기의 기동에 구동지연시간을 적용하여 프래쉬 포깅을 방지하도록 제어할 수 있다.
또한, 제상모드에서 상기 실외 열교환기를 통과하는 냉매의 응축온도 및 미리 설정된 제상모드 최대운전시간을 기초로 제상모드의 종료를 판단하는 특징이 있다.
구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템은, 파워트레인모듈 및 배터리에 냉각수가 순환하는 냉각수라인과, 압축기, 실내 열교환기, 실외 열교환기, 상기 실내 열교환기로 유입되는 냉매를 팽창시키는 실내 팽창밸브 및 상기 실외 열교환기로 유입되는 냉매를 팽창시키는 실외 팽창밸브로 냉매가 순환하는 냉매라인을 포함할 수 있다.
또한, 상기 실외 열교환기에 송풍을 제공하는 실외팬, 상기 냉각수라인에 설치되며, 상기 파워트레인 모듈 또는 상기 배터리를 순환하는 냉각수의 온도를 감지하는 냉각수온도센서, 상기 실외 열교환기의 일측에 설치되며, 상기 실외 열교환기를 통과한 냉매의 압력으로 규정되는 실외열교환기 출구압력을 감지하는 실외열교환센서 및 상기 압축기의 흡입측에 설치되며, 상기 압축기로 유입되는 냉매의 온도로 규정되는 압축기 입구온도를 감지하는 압축기입구센서를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 냉각수온도센서, 상기 실외열교환센서 및 상기 압축기입구센서로부터 감지된 정보를 기초로, 제상모드로 운전하기 위한 착상 발생 여부를 판단하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 압축기 입구온도와 상기 실외열교환기 출구압력을 판단인자로 착상 발생 여부를 판단할 수 있다.
또한, 사용자 설정온도를 입력하는 실내 컨트롤러, 실외온도를 감지하는 실외온도센서 및 실내온도를 감지하는 실내온도센서를 더 포함할 수 있다.
또한, 전기자동차의 내부로 입사되는 일사량을 측정하는 일사량감지센서 및 재실인원을 감지하는 인체감지센서를 더 포함하라 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 사용자 설정온도, 상기 실외온도, 상기 실내온도, 상기 일사량 및 상기 재실인원을 기초로 실내로 토출되는 공기의 온도로 규정되는 목표온도를 계산할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 계산된 목표온도와 상기 실외온도를 기초로 상기 사용자 설정온도로 실내온도를 도달시키기 위한 운전모드를 결정할 수 있다.
또한, 상기 파워트레인모듈을 순환하는 냉각수라인과 상기 실외 팽창밸브가 설치된 냉매라인이 열교환되도록 구비되는 파워트레인칠러를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 냉각수의 온도가 상기 냉각수의 점성력이 급변하는 시점으로 규정되는 냉각수 기준온도 보다 큰 경우, 상기 실외 팽창밸브를 폐쇄하고, 상기 파워트레인칠러가 증발기로 작동하는 폐열회수모드로 운전을 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 냉각수의 온도가 상기 냉각수 기준온도 보다 작은 경우, 상기 실외 열교환기가 증발기로 작동하는 난방모드로 운전을 제어할 수 있다.
또한, 상기 전기자동차용 히트펌프 시스템은, 이전 운행 기록이 저장되는 메모리 및 상기 난방모드 및 상기 제상모드의 운전 시간을 감지하는 타이머를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 메모리로부터 직전의 운행 종료시점에서 제상모드의 수행여부를 판단할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 직전의 운행 종료시점에서 제상모드가 수행된 경우, 상기 타이머로부터 감지된 난방모드 운전시간 정보를 생략하는 특징이 있다.
또 다른 관점에서, 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템의 제어방법은, 냉각수의 온도가 상기 냉각수의 점성력이 급변하는 시점으로 규정되는 냉각수 기준온도를 비교하여 폐열회수 조건을 판단하는 단계; 이전의 운행에서 제상모드로 운전 중 전기자동차의 시동 오프로 인한 상기 운전의 중단여부를 판단하는 단계; 난방모드의 연속운전시간을 감지하는 단계; 실외온도를 감지하는 단계; 및 상기 연속운전시간과 상기 실외온도를 기초로, 실외 열교환기의 착상 발생 여부를 판단하는 제 1 지표와 제 2 지표를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 폐열회수 조건을 만족하면, 상기 실외 열교환기의 착상 발생 여부를 판단하지 않는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 냉각수의 온도가 상기 냉각수 기준온도 보다 크면, 전기자동차의 전장 부품에서 발생되는 열을 냉매 증발의 열원으로 이용하는 폐열회수모드로 운전될 수 있다.
또한, 상기 냉각수의 온도가 상기 냉각수 기준온도 보다 작으면, 외기를 냉매 증발의 열원으로 이용하는 일반 난방모드로 운전될 수 있다.
또한, 상기 운전의 중단여부를 판단하는 단계는, 상기 운전의 중단이 있는 경우, 상기 연속운전시간을 감지하는 단계를 생략할 수 있다. 즉, 착상 발생 여부를 판단하는 과정에서 감지된 연속운전시간과 미리 설정된 운전시간을 비교하여 판단하는 과정을 생략할 수 있다.
또한, 상기 측정된 제 1 지표와 제 2 지표가, 각각의 기초조건을 만족하는지 판단하는 단계; 상기 제 1 지표 및 상기 제 2 지표 중 상기 기초조건을 만족한 적어도 어느 하나의 지표의 유지시간이 지속시간조건을 만족하는지 판단하는 단계; 및 상기 지표의 유지시간이 상기 지속시간조건을 만족하는 경우 착상이 발생한 것으로 판단하고 제상모드 운전을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 1 지표는 압축기로 흡입되는 냉매의 온도로 규정되는 압축기 입구온도를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 1 지표의 기초조건은, 난방모드의 최소 연속운전시간 조건, 실외온도 조건 및 상기 실외온도 조건에 대응하는 상기 압축기 입구온도의 조건을 포함할 수 있다.
또한, 상기 난방모드의 최소 연속운전시간 조건은, 초기 기동의 오버슈트를 회피하는 제 1 운전시간; 및 상기 제 1 운전시간 경과 후 도달하며, 상기 실외온도 조건 및 상기 실외온도 조건에 대응하는 상기 압축기 입구온도의 조건을 보정하는 제 2 운전시간을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 2 지표는 실외 열교환기를 통과한 냉매의 압력으로 규정되는 실외열교환기 출구압력을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 2 지표의 기초조건은, 난방모드의 최소 연속운전시간 조건, 실외온도 조건 및 상기 실외온도 조건에 대응하는 상기 실외열교환기 출구압력 조건을 포함할 수 있다.
또한, 상기 실외열교환기 출구압력 조건은, 상기 측정된 제 2 지표가 70 kPa 보다 큰 압력인지로 규정할 수 있다.
또한, 상기 제 2 지표는, 실외열교환기의 출구압력 변화량(△Pc)으로 규정될 수 있다.
또한, 상기 실외열교환기의 출구압력 변화량(△Pc)은, 상기 실외 열교환기를 통과한 냉매의 압력에 대한 평균값(Pcavg)과, 미리 설정된 운전시간이 경과한 후 감지되는 상기 실외 열교환기를 통과한 냉매의 압력(Pc)의 차로 정의될 수 있다.
또한, 상기 제상모드 운전을 수행하는 단계는, 압축기의 회전수를 단계적으로 상승시키도록 제어하는 단계; 냉매의 유동 방향을 전환하도록 사방밸브를 제어하며, 실외 팽창밸브를 폐쇄하고, 실내 팽창밸브의 개도를 단계적으로 제어하는 제 1 밸브제어 단계; 및 상기 실외 열교환기의 일측에 위치하는 실외팬을 오프시키는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 실외 열교환기를 통과한 냉매의 응축온도를 측정하는 단계; 상기 측정된 응축온도가 제상종료조건을 만족하는지 판단하는 단계; 및 상기 제상종료조건이 만족되면 난방운전으로 전환하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제상종료조건은, 상기 응축온도가 미리 설정된 온도 보다 높은 온도를 만족하는지로 규정될 수 있다.
또한, 상기 제상모드 운전을 수행하는 단계는, 냉매의 응축온도를 기초로 규정되는 제상종료조건을 만족하면 난방모드로 다시 운전하도록 난방운전 전환단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 난방운전 전환단계는, 압축기를 오프(OFF)시키는 단계; 실외온도를 기초로 규정되는 프래쉬 포깅 조건을 만족하는지 판단하는 단계; 상기 프래쉬 포깅 조건을 만족하면, 상기 압축기의 오프 상태를 유지하는 구동지연시간을 결정하는 단계; 및 상기 구동지연시간이 경과하면 압축기의 작동(ON)는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명을 따르면, 제상 효율의 향상 및 난방성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 착상 여부의 판단이 정확해지고, 제상모드 돌입 시점의 정확성이 향상되기 때문에, 배터리 소모전력을 저감하고, 에너지를 절약(saving)할 수 있다.
또한, 전기자동차의 이전 운행에서 제상모드가 가동 중 시동이 오프(OFF)된 경우 발생하는 불완전한 제상상태가 다시 시동이 온(ON)된 경우에 난방성능의 영향을 끼치는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 난방성능 및 제상효율이 향상될 수 있다. 결국, 전기자동차용 히트펌프 시스템의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 제상모드로 돌입하기 위한 착상 판단인자를 다양하게 고려하므로 다양한 환경에서 발생할 수 있는 서리 성장조건을 인식하여 제상모드를 수행할 수 있다. 결국, 착상 판단과 제상모드 돌입의 정확성이 향상될 수 있다.
또한, 제상모드에서 실외팬 제어를 통하여 냉매와 서리 간의 열전달 효과를 향상시킬 수 있다. 이에 의하면, 제상시간이 빨라지고 열 손실을 저감시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 제상모드에서 난방모드로 전환할 때 발생할 수 있는 프래쉬 포깅 현상을 방지할 수 있기 때문에, 제상모드 및 난방모드가 수행되는 과정에서 운전자의 시야 방해 위험을 낮추고 안전한 주행을 제공할 수 있다.
또한, 전기자동차용 히트펌프 시스템의 다양한 운전모드, 즉, 냉방, 배터리 냉각, 난방, 제상, 제습, 폐열회수 모드에서, 공통적으로 단일의 보조 열교환기를 활용할 수 있기 때문에, 히트펌프 시스템의 구성이 단순해지고, 소형화될 수 있다.
또한, 배터리 소모전력을 최소화하여 1회 충전당 주행거리를 증가시킬 수 있으며, 실내 탑승자의 쾌적감을 향상시킬 수 있다.
또한, 수소불화탄소(HFC)에 대한 국제적인 규제로 인하여 이산화탄소(CO2)와 같이 지구온난화지수(GWP)가 매우 낮은 대체 냉매가 자동차에 적용되는 경우, 본 발명의 실시예에 따른 보조 열교환기가 적용된 히트펌프 시스템은 고온의 환경에서 압력이 너무 높아지는 상기 대체 냉매의 단점을 보완할 수 있기 때문에 미래형 전기자동차의 히트펌프 시스템으로 적합한 장점이 있다.
또한, 보조 열교환기에 의하여 응축기의 출구 측에서 냉매의 과냉각도가 더욱 증가되기 때문에 증발기의 입구 측에서 플래쉬 가스(flash gas)를 보다 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 전기자동차의 다양한 운전모드를 공통배관, 보조배관 및 유동배관에 의하여 단순하게 구현할 수 있기 때문에 제조 가격을 낮출 수 있고 경제성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템의 개략도
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템의 구성을 보여주는 도면
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 보조 열교환기의 구성을 보여주는 도면
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템의 제어구성을 보여주는 블록도
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템의 난방모드에서 작동 유체의 흐름을 보여주는 도면,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템의 제상모드에서 작동 유체의 흐름을 보여주는 도면
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템의 운전모드를 판단하기 위한 제어방법을 보여주는 플로우 차트
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 난방모드에서 제상모드로 돌입하기 위한 제어방법을 보여주는 플로우 차트
도 9는 도8의 제 2 지표(△Pc) 측정을 보여주는 시간별 실외 열교환기의 냉매압력 그래프
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 제 1 지표의 기초조건 만족 여부를 판단하기 위한 제어방법을 보여주는 플로우 차트
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 제 2 지표의 기초조건 만족 여부를 판단하기 위한 제어방법을 보여주는 플로우 차트
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 제상모드의 제어방법을 보여주는 플로우 차트
도 13은 도 12의 난방운전 전환단계를 상세히 보여주는 플로우 차트
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템의 착상에 의한 난방능력 변화를 보여주는 실험 그래프
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템의 착상에 의한 증발기 출구압력(Pevapout) 변화를 보여주는 실험 그래프
이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 실시 예의 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 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템의 개략도이며, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템의 구성을 보여주는 도면이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 보조 열교환기의 구성을 보여주는 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템의 제어구성을 보여주는 블록도이다.
이하에서, 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템(1)은 설명의 편의를 위해 “히트펌프(1)”로 이름한다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프(1)는, 1차 유체인 냉매가 순환하는 냉매라인과 2차 유체인 냉각수가 순환하는 냉각수라인을 포함할 수 있다. 즉, 상기 냉매 및 상기 냉각수는, 상기 히트펌프(1)의 작동 유체로 이해할 수 있다.
상기 냉매는 냉동사이클을 형성하여 실내(또는 객실)에 냉난방을 제공할 수 있다. 그리고 상기 냉각수는 전기자동차의 전장 부품 중 방열이 필요한 부품에 제공될 수 있다.
즉, 상기 냉각수는 파워트레인모듈(10) 및 배터리(20)에서 발생하는 열을 배출시키는 방열 기능을 수행할 수 있다. 일례로, 상기 냉각수는 전기자동차에 구비되는 저장탱크(미도시)에 저장될 수 있다. 그리고 상기 냉각수는 상기 저장탱크로부터 방열이 필요한 각 구성에 제공되고, 상기 저장탱크로 다시 회수될 수 있다.
한편, 상기 파워트레인모듈(10)을 냉각시키기 위해 파워트레인모듈(10)로 제공되는 냉각수를 제 1 냉각수, 상기 배터리(20)를 냉각시키기 위해 상기 배터리(20)로 제공되는 냉각수를 제 2 냉각수라 이름할 수 있다.
상기 파워트레인모듈(10)은, 전기자동차의 구동력을 발생시키는 구동모터, 상기 구동모터와 연결되는 감속기 및 인버터를 포함할 수 있다.
상기 히트펌프(1)는 상기 파워트레인모듈(10)을 식히기 위한 냉각수가 순환하는 파워트레인라인(11), 상기 파워트레인라인(11)을 유동하는 냉각수와 냉매가 열교환하는 파워트레인칠러(15), 상기 파워트레인칠러(15)와 상기 파워트레인모듈(10) 사이에서 냉각수가 순환하도록 연장되는 칠러라인(12), 상기 칠러라인(12)에 냉각수가 제공되도록 작동하는 파워트레인펌프(13) 및 실외 측으로 설치되는 실외 열교환모듈(40)을 포함할 수 있다.
상기 파워트레인라인(11)은 상기 파워트레인모듈(10)로 냉각수가 통과하도록 구비될 수 있다. 즉, 상기 파워트레인라인(11)은 상기 파워트레인모듈(10)에 냉각수가 순환하도록 상기 파워트레인모듈(10)의 냉각수 입구와 냉각수 출구를 형성하는 배관으로 이해할 수 있다.
즉, 상기 파워트레인라인(11)은 상기 파워트레인모듈(10)에 냉각수가 순환하도록 가이드할 수 있다.
상기 파워트레인칠러(15)는 후술할 폐열팽창밸브(161)를 통과하여 팽창된 냉매를 상기 파워트레인모듈(10)을 통과한 고온의 냉각수와 열교환시킬 수 있다.
상기 칠러라인(12)은 상기 파워트레인모듈(10)을 관통하는 파워트레인라인(11)의 양측에 연결될 수 있다.
상세히, 상기 파워트레인칠러(15)의 냉각수 입구에는, 상기 파워트레인모듈(10)의 출구에 위치하는 파워트레인라인(11)과 연결되는 칠러라인(12)이 결합될 수 있다. 상기 파워트레인칠러(15)의 냉각수 출구에는, 상기 파워트레인모듈(10)의 입구에 위치하는 파워트레인라인(11)과 연결되는 칠러라인(12)이 결합될 수 있다.
따라서, 상기 파워트레인모듈(10)을 통과하여 열을 흡수한 냉각수는, 상기 칠러라인(12)을 통해 상기 파워트레인칠러(15)를 통과하면서 열을 방출할 수 있다.
그리고 상기 파워트레인칠러(15)를 통과하는 냉매는 상기 냉각수의 열을 흡수할 수 있다. 즉, 상기 냉매는 상기 파워트레인모듈(10)로부터 발생하는 폐열을 열원으로 사용할 수 있다. 후술할 제 1 폐열회수 및 제 2 폐열회수 난방모드에서는, 상기 폐열을 열원으로 냉매의 증발이 수행될 수 있다.
상기 칠러라인(12)은 상기 파워트레인라인(11)으로부터 연장되도록 형성할 수 있다. 즉, 상기 칠러라인(12)과 상기 파워트레인라인(11)은, 일체의 배관으로 형성될 수 있다. 따라서, 상기 파워트레인라인(11)은 상기 칠러라인(12)을 포함할 수 있다.
달리 표현하면, 상기 파워트레인라인(11)에는, 상기 파워트레인모듈(10)과 상기 파워트레인칠러(15)가 설치되어 냉각수를 순환시킬 수 있다.
상기 파워트레인펌프(13)는 상기 칠러라인(12)에 설치될 수 있다. 일례로, 상기 파워트레인펌프(13)는 상기 파워트레인모듈(10)의 출구측과 상기 파워트레인칠러(15)의 입구측을 연결하는 칠러라인(12)에 설치할 수 있다.
상기 파워트레인펌프(13)는 상기 파워트레인모듈(10)을 통과한 냉각수가 상기 칠러라인(12)으로 유입되도록 작동할 수 있다. 일례로, 상기 파워트레인펌프(13)가 온(ON) 상태로 작동하면, 저장탱크로부터 제공되는 냉각수가 상기 파워트레인라인(11) 및 상기 칠러라인(12)을 순환할 수 있다.
상기 실외 열교환모듈(40)은 냉각수의 열을 방출시키는 라디에이터(41), 외기와 냉매가 열교환하는 실외 열교환기(45) 및 송풍을 제공하는 실외팬(46)을 포함할 수 있다.
상기 라디에이터(41)에는 상기 파워트레인라인(11)을 유동하는 냉각수가 통과될 수 있다. 즉, 상기 파워트레인라인(11)을 유동하는 냉각수는, 상기 라디에이터(41)와 상기 파워트레인칠러(15)를 통과할 수 있다.
상세히, 상기 히트펌프(1)는 상기 라디에이터(41)와 상기 파워트레인모듈(10) 사이를 냉각수가 순환하도록 연장되는 라디에이터라인(17), 상기 라디에이터라인(17)으로 냉각수가 제공되도록 작동하는 라디에이터펌프(16) 및 냉각수의 유동을 제한할 수 있는 파워트레인밸브(19)를 더 포함할 수 있다.
상기 라디에이터라인(18)은 상기 파워트레인라인(11)의 일 지점에서 분기되어 상기 라디에이터(41)를 통과한 후 상기 파워트레인라인(11)의 타 지점으로 연결될 수 있다.
즉, 상기 파워트레인라인(11)은 상기 칠러라인(12)과 상기 라디에이터라인(18)으로 분기되는 분지점을 형성할 수 있으며, 상기 칠러라인(12)과 상기 라디에이터라인(18)이 합지되는 합지점을 형성할 수 있다. 그리고 상기 분지점은 상기 파워트레인모듈(10)의 출구측에 위치할 수 있으며, 상기 합지점은 상기 파워트레인모듈(10)의 입구측에 위치할 수 있다.
또한, 상기 파워트레인밸브(19)는 상기 합지점에 설치할 수 있다. 일례로, 상기 파워트레인밸브(19)는 3방향 밸브를 포함할 수 있다. 따라서, 상기 파워트레인밸브(19)에는 상기 파워트레인라인(11), 상기 칠러라인(12) 및 상기 라디에이터라인(17)이 연결될 수 있다.
상기 파워트레인밸브(19)는 상기 칠러라인(12) 또는 상기 라디에이터라인(17)을 유동하는 냉각수가 상기 파워트레인라인(11)으로 회수되도록 개폐동작을 수행할 수 있다.
상기 라디에이터펌프(16)는 상기 라디에이터라인(17)에 설치할 수 있다. 일례로, 상기 라디에이터펌프(16)는 상기 파워트레인모듈(10)의 출구측과 상기 라디에이터(41)의 입구측을 연결하는 라디에이터라인(17)에 설치할 수 있다.
상기 라디에이터펌프(16)는 상기 파워트레인모듈(10)을 통과한 냉각수가 상기 라디에이터라인(17)으로 유입되도록 작동할 수 있다. 일례로, 상기 라디에이터펌프(16)가 온(ON) 상태로 작동하면, 저장탱크로부터 제공되는 냉각수가 상기 파워트레인라인(11) 및 상기 라디에이터라인(17)을 순환할 수 있다.
냉각수의 유동 관점에서, 상기 라디에이터(41)는 라디에이터라인(17)에 설치할 수 있다. 즉, 냉각수는 상기 라디에이터라인(17)을 따라 상기 라디에이터(41)를 통과할 수 있다.
상기 라디에이터(41)는 전기자동차의 앞부분에 위치할 수 있다. 따라서, 전기자동차가 달릴 때에는 찬 공기가 상기 라디에이터(41)로 들어오면서 상기 파워트레인모듈(11)에서 발생되는 열을 흡수한 냉각수를 냉각시킬 수 있다.
상기 실외팬(46)은 상기 라디에이터(41)의 뒤에 위치할 수 있다. 따라서, 상기 실외팬(46)은 상기 라디에이터(41)의 뒤로 뜨거운 공기가 정체되는 것을 방지하도록 작동할 수 있다.
상기 실외 옆교환기(45)는 상기 실외팬(46)의 앞에 위치할 수 있다. 그리고 상기 실외 열교환기(45)는 상기 라디에이터(41)의 앞 또는 뒤에 위치할 수 있다.
즉, 상기 실외 열교환기(45)는 상기 라디에이터(41)와 함께 상기 전기자동차의 앞부분에 위치하여 외기와 냉매의 열교환을 수행할 수 있다.
한편, 상기 실외 열교환모듈은 CRFM(Condenser Radiator Fan Module)이라 이름할 수도 있다.
상기 히트펌프(1)는 상기 배터리(20)를 식히기 위한 냉각수가 순환하는 배터리라인(28), 상기 배터리라인(28)을 유동하는 냉각수와 냉매가 열교환하는 배터리쿨러(25) 및 상기 배터리라인(28)에 냉각수가 제공되도록 작동하는 배터리펌프(21)를 더 포함할 수 있다.
상기 배터리라인(28)은 상기 배터리쿨러(25)와 상기 배터리(20) 사이를 냉각수가 순환하도록 연장될 수 있다.
상기 배터리펌프(21)는 상기 배터리라인(28)에 설치될 수 있다.
상기 배터리펌프(21)는 냉각수가 상기 배터리라인(28)를 순환하여 상기 배터리(20)의 방열을 수행하도록 작동할 수 있다. 일례로, 상기 배터리펌프(21)가 온(ON) 상태로 작동하면, 저장탱크(미도시)에 저장된 냉각수는 상기 배터리라인(28)으로 제공될 수 있다. 그리고 상기 냉각수는 상기 배터리(20)와 상기 배터리쿨러(25)를 통과하면서 상기 배터리라인(28)을 순환할 수 있다.
상기 배터리쿨러(25)는 후술할 배터리팽창밸브(156)를 통과한 냉매를 상기 배터리(20)을 통과한 고온의 냉각수와 열교환시킬 수 있다.
상기 배터리라인(28)은, 상기 배터리(20)의 출구측이 상기 배터리쿨러(25)의 냉각수 입구와 연결되도록 연장되며, 상기 배터리쿨러(25)의 냉각수 출구가 상기 배터리(20)의 입구측에 연결되도록 연장된다.
따라서, 상기 배터리(20)을 통과하여 열을 흡수한 냉각수는, 상기 배터리라인(28)을 통해 상기 배터리쿨러(25)를 통과하면서 냉매와 열교환되어 냉각될 수 있다.
그리고 상기 배터리쿨러(25)를 통과하는 냉매는, 상기 냉각수의 열을 흡수할 수 있다. 즉, 상기 냉매는, 상기 배터리(20)로부터 발생하는 폐열을 열원으로 사용할 수 있다.
따라서, 도면에 도시하진 않았으나, 후술할 제 1 폐열회수 및 제 2 폐열회수 난방모드에서는, 상술한 파워트레인칠러(15)뿐만 아니라 상기 배터리쿨러(25)를 통해서도 상기 폐열을 열원으로 하는 냉매의 증발이 수행될 수 있다.
상기 히트펌프(1)는 실내 측으로 설치되는 실내 열교환모듈(30)을 더 포함할 수 있다.
상기 실내 열교환모듈(30)은 실내덕트(31), 상기 실내덕트(31)의 내부에 위치하는 실내 열교환기(35) 및 실내팬(36)을 포함할 수 있다.
상기 실내팬(36)은 송풍을 제공할 수 있다. 따라서, 상기 실내팬(26)은 전기자동차의 실내로 공기를 토출 또는 실내의 공기를 흡입시킬 수 있다.
또한, 상기 실내팬(36)은 상기 실내 열교환기(35)를 통과하는 냉매를 공기와 열교환할 수 있도록 송풍을 제공할 수 있다.
상기 히트펌프(1)는 사용자 입력부를 제공하는 실내 컨트롤러(39)를 더 포함할 수 있다.
상기 실내 컨트롤러(39)는 상기 실내 열교환모듈(30)과 전기적으로 연결될 수 있다. 일례로, 상기 실내 컨트롤러(39)는 상기 실내 열교환기모듈(30)에 구비되는 제어장치(미도시)와 연결될 수 있다.
그리고 사용자는 상기 실내 컨트롤러(39)를 조작함으로써 다양한 상기 히트펌프(1)의 운전모드를 입력할 수 있다.
일례로, 상기 히트펌프(1)의 운전모드 중 사용자가 선택할 수 있는 운전모드는 냉방, 난방, 제습 및 환기 중 어느 하나일 수 있다. 그리고 상기 제어장치는 실내온도, 실외온도, 냉각수 온도, 냉매 온도, 냉매 압력 등을 기초로 최적의 열효율을 구현할 수 있는 구체적인 운전모드를 작동시킬 수 있다.
여기서, 상기 구체적인 운전모드는, 일반 난방, 단독열원 폐열회수(제 1 폐열회수), 이중열원 폐열회수(제 2 폐열회수), 제습 난방, 제상 난방 및 배터리 냉각을 포함할 수 있다.
한편, 상기 히트펌프(1)는 냉매를 압축하는 압축기(100), 냉매의 유동방향을 전환하는 사방밸브(110) 및 냉매 간의 열교환이 수행되는 보조 열교환기(200)를 더 포함할 수 있다.
상기 압축기(100)는 저온, 저압의 냉매를 흡입하여 고온, 고압의 냉매로 압축시킬 수 있다.
상기 압축기(100)의 토출구에는 고온, 고압으로 압축된 기상 냉매가 토출될 수 있다. 그리고 상기 압축기(100)의 흡입구에는 저온, 저압의 기상 냉매가 흡입될 수 있다.
상기 압축기(100)의 토출구는 토출배관(103)과 결합할 수 있다. 그리고 상기 토출배관(103)은 상기 사방밸브(110)로 연장될 수 있다.
상기 보조 열교환기(200)는 응축기를 통과한 응축냉매와 증발기를 통과한 증발냉매 간의 열교환을 가이드할 수 있다. 상기 증발냉매는 상대적으로 저온, 저압의 냉매이며, 상기 응축냉매는 상대적으로 고온, 고압의 냉매이다.
이에 의하면, 상기 응축냉매는 과냉각될 수 있다. 즉, 상기 보조 열교환기(200)는 과냉각 기능을 수행할 수 있다.
또한, 상기 보조 열교환기(200)는 증발냉매가 유입되어 기상 냉매와 액상 냉매로 분리하고, 상기 기상 냉매를 상기 압축기(100)로 유입시키는 어큐뮬레이터 기능을 수행할 수 있다. 그리고 상대적으로 온도가 낮은 상기 증발냉매 중 액상 냉매는 상기 응축냉매와 열교환을 통하여 더욱 증발될 수 있다. 따라서, 상기 압축기(100)로 흡입되는 기상 냉매량은 상대적으로 증가될 수 있다.
전기자동차에 구비되는 히트펌프 시스템은, 실내 열교환기의 전열면적이 상대적으로 작을 수 있다. 따라서, 상기 보조 열교환기(200)는 일종의 액상 냉매의 버퍼 공간(Receiver tank)기능으로 활용될 수도 있다.
한편, 상기 보조 열교환기(200)는 “어큐뮬레이터 일체형 내부 열교환기”로 이름할 수도 있다. 상기 보조 열교환기(200)에 대한 구체적인 구성은 후술하도록 한다.
상기 압축기(100)의 흡입구는 흡입배관(103)과 결합할 수 있다. 상기 흡입배관(103)는 상기 기상 냉매가 상기 압축기(100)로 유입되도록 상기 보조 열교환기(200)로 연장될 수 있다.
상기 사방밸브(110)는 상기 토출배관(103)으로부터 유입되는 냉매를 운전모드에 따라 응축기로 작동하는 상기 실외 열교환기(45) 또는 상기 실내 열교환기(35)로 선택적으로 유동하도록 가이드할 수 있다.
상세히, 상기 사방밸브(110)에는, 상기 실외 열교환기(45)의 일측으로 연장되는 실외 연결배관(113) 및 상기 실내 열교환기(35)의 일측으로 연장되는 실내 연결배관(138)이 각각 결합될 수 있다.
또한, 상기 사방밸브(110)는 냉매를 상기 보조 열교환기(200)로 유입되도록 가이드할 수 있다. 상세히, 상기 사방밸브(110)에는 상기 보조 열교환기(200)로 연장되는 어큠배관(170)이 결합될 수 있다.
그리고 상기 어큠배관(170)에는 후술할 쿨러회수배관(157)이 결합되는 쿨러 합지점(158) 및 후술할 칠러회수배관(163)이 결합되는 칠러합지점(165)을 포함할 수 있다.
즉, 상기 쿨러합지점(158)과 상기 칠러합지점(165)은, 증발냉매가 상기 보조 열교환기(200)로 유동하기 위해 상기 어큠배관(170)과 합지되는 지점으로 이해할 수 있다.
상기 쿨러합지점(158)은 상기 배터리쿨러(25)를 통과하면서 증발된 냉매가 상기 어큠배관(170)을 통하여 상기 보조 열교환기(200)로 유입되도록 가이드할 수 있다.
상기 칠러합지점(165)은 상기 파워트레인칠러(15)를 통과하면서 증발된 냉매가 상기 어큠배관(170)을 통하여 상기 보조 열교환기(200)로 유입되도록 가이드할 수 있다.
상기 히트펌프(1)는 상기 실외 열교환기(45)의 타측으로부터 연장되는 실외배관(115) 및 상기 실내 열교환기(35)의 타측으로부터 연장되는 실내배관(130)을 포함할 수 있다.
상기 실외 열교환기(45)는 양측으로 상기 실외 연결배관(113)과 상기 실외배관(115)이 결합되어 냉매를 가이드할 수 있다. 즉, 상기 실외배관(115)과 상기 실외 연결배관(113)은, 상기 실외 열교환기(45)의 냉매 출구와 냉매 입구에 각각 결합할 수 있다. 일례로, 상기 실외 열교환기(45)가 응축기로 작동하는 경우, 상기 실외 연결배관(113)은 상기 실외 열교환기(45)로 압축된 냉매를 유입시키며, 상기 실외배관(115)에는 상기 실외 열교환기(45)에서 응축된 냉매가 토출된다.
상기 실내 열교환기(35)는 양측으로 상기 실내 연결배관(138)과 상기 실내배관(130)이 결합되어 냉매를 가이드할 수 있다. 즉, 상기 실내배관(130)과 상기 실내 연결배관(138)은, 상기 실내 열교환기(35)의 냉매 출구와 냉매 입구에 각각 결합할 수 있다. 일례로, 상기 실내 열교환기(35)가 응축기로 작동하는 경우, 상기 실내 연결배관(138)은 상기 실내 열교환기(35)로 압축된 냉매를 유입시키며, 상기 실내배관(130)에는 상기 실내 열교환기(35)에서 응축된 냉매가 토출된다.
상기 히트펌프(1)는 상기 실외배관(115)으로부터 분기되어 상기 실내배관(130)으로 연장되는 유동배관(120)을 더 포함할 수 있다.
상세히, 상기 유동배관(120)은 상기 실외배관(115)의 일 지점에 형성되는 실외분지점(116)으로부터 상기 실내배관(130)의 일 지점에 형성되는 실내분지점(131)까지 연장될 수 있다.
상기 실외분지점(116)은 상기 실외배관(115)의 냉매가 분지되는 지점으로 이해할 수 있다. 상기 실내분지점(131)은 상기 실내배관(130)의 냉매가 분지되는 지점으로 이해할 수 있다.
달리 표현하면, 상기 실내배관(130)은 상기 실내 열교환기(35)와 연결되는 유동배관(120)으로부터 분기되어 상기 보조 열교환기(200)와 연결되는 제 2 보조배관(142)까지 연장될 수 있다.
상기 유동배관(120)은 응축냉매가 합지되는 유동분지점(123)을 포함할 수 있다.
상기 유동분지점(123)은, 운전모드에 따라 응축기로 작동하는 실외 열교환기(45) 또는 실내 열교환기(35)를 통과한 냉매가 상기 보조 열교환기(200)로 유입되도록 가이드할 수 있다. 일례로, 상기 유동분지점(123)은 상기 보조 열교환기(200)로 연장되는 보조배관(141)이 결합될 수 있다.
상기 히트펌프(1)는 상기 유동배관(120)의 냉매 유동을 조절하는 제 1 유동밸브(125) 및 제 2 유동밸브(127)를 더 포함할 수 있다.
상기 제 1 유동밸브(125) 및 상기 제 2 유동밸브(127)는 상기 유동배관(120)에 설치될 수 있다.
상기 제 1 유동밸브(125)는 상기 실외분지점(116)과 상기 유동분지점(123) 사이에 설치할 수 있다. 그리고 상기 제 1 유동밸브(125)는 상기 실외분지점(116)과 상기 유동분지점(123) 사이를 유동하는 냉매를 제어할 수 있다.
상기 제 2 유동밸브(127)는, 상기 유동분지점(123)과 상기 실내분지점(131) 사이에 설치할 수 있다. 상기 제 2 유동밸브(127)는 상기 유동분지점(123)과 상기 실내분지점(131) 사이를 유동하는 냉매를 제어할 수 있다.
상기 제 1 유동밸브(125) 및 상기 제 2 유동밸브(127)는, 상기 유동배관(120)을 유동하는 냉매가 상기 유동분지점(123)에서 보조배관(141)을 통해 보조 열교환기(200)로 유동하도록 작동할 수 있다.
즉, 상기 제 1 유동밸브(125) 및 상기 제 2 유동밸브(127)는, 상기 유동배관(120)에서 냉매의 유동 방향을 제어할 수 있다.
한편, 상기 제 1 유동밸브(125)와 상기 제 2 유동밸브(127)는, 함께 “유동밸브”라고 이름할 수 있다.
상기 유동밸브(125, 127)는, 체크밸브, 솔레노이드 밸브, 전자밸브 등을 포함할 수 있다.
설명과 이해의 편의를 위하여, 본 발명의 실시예에서는, 상기 유동밸브(125,127)가 냉매의 유동을 한 방향으로만 허용하는 체크밸브로 구비된 것을 기준으로 설명하도록 한다.
상기 제 1 유동밸브(125)와 제 2 유동밸브(127)는, 서로 허용하는 냉매의 유동 방향이 반대가 되도록 설치될 수 있다.
상세히, 상기 제 1 유동밸브(125)는 상기 실외분지점(116)으로부터 상기 유동분지점(123)으로 향하는 냉매의 유동을 허용한다. 그러나, 상기 유동분지점(123)으로부터 상기 실외분지점(116)으로 향하는 냉매의 유동은 차단한다.
또한, 상기 제 2 유동밸브(127)는 상기 실내분지점(131)으로부터 상기 유동분지점(123)으로 향하는 냉매의 유동을 허용한다. 그러나, 상기 유동분지점(123)으로부터 상기 실내분지점(131)으로 향하는 냉매의 유동은 차단한다.
이에 의하면, 운전모드에 따라 응축기로 작동하는 실외 열교환기(45) 또는 실내 열교환기(35)에 관계없이, 응축냉매는 제 1 보조배관(141)으로 유입되어 상기 보조 열교환기(200)를 통과하면서 과냉각될 수 있다.
상기 히트펌프(1)는 상기 유동배관(120)의 일 지점에서 분기되어 상기 보조 열교환기(200)로 연장되는 제 1 보조배관(141) 및 상기 보조 열교환기(200)로부터 팽창밸브(161,118,156,135)를 향하여 연장되는 제 2 보조배관(142)을 더 포함할 수 있다.
그리고 상기 제 1 보조배관(141)을 통해 상기 보조 열교환기(200)로 유입된 냉매는, 상기 보조 열교환기(200)에서 열교환된 후 상기 제 2 보조배관(142)을 통해 상기 보조 열교환기(200)로부터 배출될 수 있다.
즉, 상기 제 1 보조배관(141)과 상기 제 2 보조배관(142)은 연결될 수 있다. 일례로, 상기 제 1 보조배관(141) 및 상기 제 2 보조배관(142)은, 상기 보조 열교환기(200)의 내부에서 후술할 유입관(241), 나선관(245) 및 배출관(242)에 의해 일체의 배관을 형성할 수 있다.
상기 제 1 보조배관(141)은 상기 유동분지점(123)으로부터 상기 보조 열교환기(200)로 연장될 수 있다. 따라서, 상기 제 1 보조배관(141)은 응축기를 통과한 응축냉매를 상기 보조 열교환기(200)로 유입되도록 가이드할 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 응축냉매는 상기 보조 열교환기(200)에서 증발냉매와 열교환하여 과냉각될 수 있다. 그리고 상기 과냉각 냉매는 상기 제 2 보조배관(142)을 통해 상기 보조 열교환기(200)로부터 토출될 수 있다. 즉, 상기 제 2 보조배관(142)은 상기 보조 열교환기(200)를 통과한 상기 제 1 보조배관(141)의 냉매를 가이드할 수 있다.
상기 제 2 보조배관(142)은 상기 보조 열교환기(200)로부터 후술할 공통배관(150)까지 연장될 수 있다.
또한, 상기 제 2 보조배관(142)은 상기 실내배관(130)이 결합되는 보조분지점(145)을 포함할 수 있다.
상기 보조분지점(145)은 상기 제 2 보조배관(142)을 유동하는 냉매가 상기 실내배관(130)으로 분지되는 분지점으로 이해할 수 있다. 즉, 상기 실내배관(130)은 상기 제 2 보조배관(142)으로부터 분기되어 상기 실내 열교환기(35)로 연장될 수 있다.
상기 히트펌프(1)는 상기 제 2 보조배관(142)과 상기 실외배관(115) 사이를 연결하는 공통배관(150)을 더 포함할 수 있다.
상기 공통배관(150)의 일측 단부는 제 1 연결점(151)으로 정의하고, 상기 공통배관(150)의 타측 단부는 제 2 연결점(152)이라 정의한다.
상기 제 1 연결점(151)에는 상기 실외배관(115)이 결합될 수 있다. 즉, 상기 실외배관(115)의 일측 단부는 상기 실외 열교환기(45)에 결합되고, 상기 실외배관(115)의 타측 단부는 상기 공통배관(150)과 결합된다. 여기서, 상기 실외분지점(116)은 상기 실외 열교환기(45)와 상기 공통배관(150) 사이에 위치할 수 있다.
또한, 상기 제 1 연결점(151)에는 칠러배관(160)이 결합될 수 있다. 즉, 상기 제 1 연결점(151)은 냉매가 분지되는 분지점으로 이해할 수 있다.
달리 표현하면, 상기 공통배관(150)은 상기 제 1 연결점(151)에서 상기 실외배관(115)과 상기 칠러배관(160)으로 분기될 수 있다.
또 달리 표현하면, 상기 칠러배관(160)은 상기 실외배관(115)으로부터 분기되어 상기 파워트레인칠러(15)로 연장될 수 있다.
상기 제 2 연결점(152)에는 상기 제 2 보조배관(142)이 결합될 수 있다. 즉, 상기 제 2 보조배관(142)의 일측 단부는 상기 보조 열교환기(200)에 결합되고, 상기 제 2 보조배관(142)의 타측 단부는 상기 공통배관(150)과 결합된다.
여기서, 상기 보조분지점(145)은 상기 실내 열교환기(35)와 상기 공통배관(150) 사이에 위치할 수 있다.
또한, 상기 제 2 연결점(152)에는 쿨러배관(155)이 결합될 수 있다. 즉, 상기 제 2 연결점(152)은 냉매가 분지되는 분지점으로 이해할 수 있다. 달리 표현하면, 상기 공통배관(150)은 상기 제 2 연결점(152)에서 상기 제 2 보조배관(142)과 상기 쿨러배관(155)으로 분기될 수 있다.
상기 히트펌프(1)는 실외배관(115)에 설치되는 실외 팽창밸브(118) 및 실내배관(130)에 설치되는 실내 팽창밸브(135)를 더 포함할 수 있다.
상기 실외 팽창밸브(118) 및 상기 실내 팽창밸브(135)는, 전자식 팽창 밸브(EEV)를 포함할 수 있다.
그리고 상기 실외 팽창밸브(118) 및 상기 실내 팽창밸브(135)는 개도 조절을 통하여 냉매의 압력과 유량을 조절할 수 있다.
상기 실외 팽창밸브(118)는 상기 실외분지점(116)과 상기 제 1 연결점(151) 사이에 위치할 수 있다. 이에 의하면, 난방모드에서 상기 공통배관(150)을 유동하는 냉매는 상기 실외배관(115)으로 유입되어 상기 실외 팽창밸브(118)에서 팽창될 수 있다.
상기 실내 팽창밸브(135)는 상기 보조분지점(145)과 실내분지점(131) 사이에 위치할 수 있다. 이에 의하면, 냉방모드에서 상기 제 2 보조배관(142)을 유동하는 냉매는 상기 실내배관(130)으로 유입되어 상기 실내 팽창밸브(135)에 의해 팽창될 수 있다.
상기 히트펌프(1)는 상기 배터리 쿨러(25)에서 냉매와 냉각수의 열교환을 위하여 냉매를 가이드하는 쿨러배관(155) 및 쿨러회수배관(157)을 더 포함할 수 있다.
상기 쿨러배관(155)은 상기 공통배관(150)으로부터 분기되어 상기 배터리 쿨러(25)로 연장될 수 있다. 상세히, 상기 쿨러배관(155)은 제 2 연결점(152)으로부터 상기 배터리 쿨러(25)의 일측에 형성되는 냉매입구까지 연장될 수 있다.
달리 표현하면, 상기 공통배관(150)은 상기 제 2 연결점(152)에서 상기 제 2 보조배관(142)과 상기 쿨러배관(155)으로 분기될 수 있다.
상기 쿨러회수배관(157)은 상기 배터리 쿨러(25)로부터 상기 어큠배관(170)까지 연장될 수 있다. 상세히, 상기 쿨러회수배관(157)은 상기 배터리 쿨러(25)의 타측에 형성되는 냉매출구로부터 상기 쿨러합지점(158)까지 연장될 수 있다.
즉, 상기 쿨러배관(155)과 상기 쿨러회수배관(157)은, 상기 배터리 쿨러(25)에서 상기 배터리라인(28)을 순환하는 냉각수와 열교환하는 냉매를 가이드할 수 있다. 일례로. 난방모드에서, 상기 쿨러배관(155)을 유동하는 냉매는, 상기 쿨러배관(155)을 통해 상기 배터리쿨러(25)의 냉매입구로 유입되어 상기 배터리쿨러(25)의 냉각수입구로 유입된 냉각수의 열을 흡수할 수 있다. 이에 의하면, 상기 배터리쿨러(25)를 통과하는 냉매는 증발할 수 있다.
그리고 상기 냉각수의 열을 흡수한 냉매는, 상기 배터리쿨러(25)의 냉매출구를 통해 상기 쿨러회수배관(157)으로 배출될 수 있다. 그리고 상기 쿨러회수배관(157)의 냉매는 상기 쿨러합지점(158)에서 상기 어큠배관(170)으로 유동하여 보조 열교환기(200)의 내부로 유입될 수 있다.
상기 히트펌프(1)는 상기 쿨러배관(155)에 설치되는 쿨러 팽창밸브(156)을 더 포함할 수 있다.
상기 쿨러 팽창밸브(156)는 전자식 팽창 밸브(EEV)를 포함할 수 있다.
상기 쿨러 팽창밸브(156)는 개도 조절을 통하여 상기 쿨러배관(155)을 유동하는 냉매의 압력과 유량을 조절할 수 있다. 일례로, 난방모드에서 상기 쿨러 팽창밸브(156)가 폐쇄(Full Closed)된 경우, 상기 제 2 보조배관(142)을 유동하는 냉매는 상기 제 2 연결점(152)에서 상기 공통배관(150)과 상기 쿨러배관(155)으로 분지되지 않고, 상기 공통배관(150)으로 모두 유입될 수 있다.
상기 히트펌프(1)는 냉매를 가이드하는 칠러배관(160)과 칠러회수배관(163), 상기 칠러배관(160)에 설치되는 폐열 팽창밸브(161) 및 상기 칠러회수배관(163)에 설치되는 칠러밸브(164)를 더 포함할 수 있다.
상기 칠러배관(160)은 상기 공통배관(150)으로부터 분기되어 상기 파워트레인칠러(15)로 연장될 수 있다. 상세히, 상기 칠러배관(160)은 상기 제 1 연결점(151)으로부터 상기 파워트레인칠러(15)의 일측에 형성되는 냉매입구까지 연장될 수 있다.
달리 표현하면, 상기 공통배관(150)은 상기 제 1 연결점(151)에서 상기 칠러배관(160)과 상기 실외배관(115)으로 분기될 수 있다. 즉, 상기 공통배관(150)은, 일측 단부에서 칠러배관(160)과 실외배관(115)이 결합되며, 타측 단부에서 쿨러배관(155)과 제 2 보조배관(142)이 결합된다.
상기 칠러회수배관(163)은 상기 파워트레인칠러(15)로부터 상기 어큠배관(170)까지 연장될 수 있다. 상세히, 상기 칠러회수배관(163)은 상기 파워트레인칠러(15)의 타측에 형성되는 냉매출구로부터 상기 칠러합지점(165)까지 연장될 수 있다.
즉, 상기 칠러배관(160)과 상기 칠러회수배관(163)은, 상기 파워트레인칠러(15)에서 상기 필러라인(12)을 순환하는 냉각수와 열교환하는 냉매를 가이드할 수 있다.
일례로. 난방모드에서, 상기 공통배관(150)을 유동하는 냉매는, 상기 칠러배관(160)을 통해 상기 파워트레인칠러(15)의 냉매입구로 유입되어 상기 상기 파워트레인칠러(15)의 냉각수입구로 유입된 냉각수의 열을 흡수할 수 있다. 이에 의하면, 상기 파워트레인칠러(15)를 통과하는 냉매는 증발할 수 있다.
그리고 상기 냉각수의 열을 흡수한 냉매는, 상기 파워트레인칠러(15)의 냉매출구를 통해 상기 칠러회수배관(163)으로 배출될 수 있다.
그리고 상기 칠러회수배관(163)의 냉매는 상기 칠러합지점(165)에서 상기 어큠배관(170)으로 유동하여 보조 열교환기(200)의 내부로 유입될 수 있다.
상기 폐열 팽창밸브(161)는 상기 제 1 연결점(151)과 상기 파워트레인칠러(15)의 냉매입구 사이에 위치할 수 있다.
상기 폐열 팽창밸브(161)는 전자식 팽창 밸브(EEV)를 포함할 수 있다.
상기 폐열 팽창밸브(161)는 개도 조절을 통하여 상기 칠러배관(160)을 유동하는 냉매의 압력과 유량을 조절할 수 있다.
상기 칠러밸브(164)는 상기 칠러합지점(165)과 상기 파워트레인칠러(15)의 냉매출구 사이에 위치할 수 있다.
상기 칠러밸브(164)는 솔레노이드 밸브(Solenoid valve)를 포함할 수 있다.
상기 칠러밸브(164)는 냉매 역류를 방지하고 상기 파워트레인칠러(15)를 보호하기 위해 상기 칠러회수배관(163)에 설치될 수 있다. 그리고 상기 칠러밸브(164)는 온오프(On/OFF) 동작을 통해 상기 칠러회수배관(163)의 냉매 유동을 제한할 수 있다.
한편, 상기 히트펌프(1)는 제습 또는 제상모드에서 실내에 연속적인 난방을 제공하기 위한 객실히터기(60)를 더 포함할 수 있다.
상기 객실히터기(60)는 난방운전 중 제습 또는 제상모드로 운전되는 경우 실내에 난방을 유지하기 위해 작동할 수 있다.
상세히. 상기 객실히터기(60)는 발열할 수 있는 히터(63), 상기 히터(63)의 열을 흡수하기 위한 냉각수가 순환하는 히터라인(68), 상기 히터라인(68)으로 냉각수를 유입시키는 히터펌프(61) 및 상기 히터(63)를 통과한 냉각수에 의해 달구어지는 히터코어(65)를 포함할 수 있다.
상기 히터펌프(61)는 상기 히터라인(68)에 설치할 수 있다. 그리고 상기 히터펌프(61)는 상기 히터(63)의 방열을 위하여 냉각수의 유동을 가이드할 수 있다. 일례로, 상기 저장탱크(미도시)에 저장된 냉각수가 상기 히터라인(68)으로 유입되도록 작동할 수 있다.
상기 히터(63)는 전기히터를 포함할 수 있다. 상기 히터(63)를 통과하는 과정에서 냉각수는 상기 히터(63)의 발열에 의해 열을 흡수하여 온도가 높아질 수 있다.
상기 히터코어(65)는 상기 히터라인(68)에 설치할 수 있다. 일례로, 상기 히터코어(65)는 열 전도성이 높은 금속재질의 판으로 형성할 수 있다.
상기 히터(63)를 통과한 냉각수는 상기 히터코어(65)를 통과하면서 상기 히터코어(65)를 달구어줄 수 있다. 이때, 송풍을 주어서 온도가 높아진 상기 히터코어(65)에는 바람이 통과할 수 있다. 일례로, 상기 송풍은 상기 실내팬(36)의 작동에 의해 발생시킬 수 있다.
그리고 상기 히터코어(65)를 통과한 따뜻한 바람은 실내로 토출될 수 있다. 따라서, 상기 실내에는 실내 열교환기(35)가 증발기의 기능을 수행하는 제습 또는 제상모드에서도 연속적인 난방이 제공될 수 있다.
한편, 상기 히트펌프(1)는 냉매와 냉각수의 사이클을 제어하기 위한 제어부(300)를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부(300)는 상기 압축기(100), 실외 팽창밸브(118), 실내 팽창밸브(135), 사방밸브(110), 객실 히터기(60), 실외팬(46) 등과 같이, 냉매와 냉각수의 사이클을 형성하는 각 구성들을 제어할 수 있다.
상기 히트펌프(1)는 저장장치인 메모리(310)를 포함할 수 있다.
상기 메모리(310)에는 상기 제어부(300)에 의하여 전기자동차의 이전 운행 기록이 저장될 수 있다.
일례로, 상기 제어부(300)는 상기 전기자동차의 시동이 오프(OFF)된 경우, 상기 오프(OFF)시점에서 상기 히트펌프(1)의 운전모드와 상기 운전모드의 수행 정보를 상기 메모리(310)에 저장할 수 있다.
그리고 상기 제어부(300)는 이후 다시 상기 전기자동차의 시동이 온(ON)되는 경우, 상기 메모리(310)로부터 이전 운행 기록을 제공받아서 현 시점의 운전모드 제어에 이용할 수 있다.
또한, 상기 메모리(310)에는 전기자동차의 다양한 운전모드를 제어하기 위한 조건정보가 미리 저장될 수 있다.
상세히, 상기 메모리(310)에는, 폐열회수모드로 운전하기 위한 조건정보, 착상 여부를 판단하기 위한 지표별 기초조건 정보, 상기 기초조건을 만족한 지표별 지속시간조건, 운전시간에 관한 정보 및 프레쉬포깅 판단을 위한 조건정보가 미리 저장될 수 있다.
또한, 상기 메모리(310)에는 실내에 토출되는 공기의 목표온도에 관한 정보가 미리 저장될 수 있다. 상기 목표온도는 감지된 실외온도, 입력된 사용자설정온도, 감지된 실내온도 등을 변수로 결정된다. 따라서, 상기 메모리(310)에는 상기 변수에 대한 목표온도 정보가 테이블화되어 미리 저장될 수 있다.
또한, 상기 메모리(310)에는 실외온도에 따른 포화압력 정보, 이슬점 정보가 미리 저장될 수 있다.
또한, 상기 메모리(310)에는 추출된 목표온도와 실외온도를 변수로 하여 결정되는 운전모드에 관한 정보가 테이블화 되어 미리 저장될 수 있다.
상기 히트펌프(1)는 수행되는 운전모드의 운전시간을 측정할 수 있는 타이머(320)를 더 포함할 수 있다.
상기 타이머(320)는 상기 히트펌프(1)가 수행하는 운전모드의 운전시간을 측정하여 상기 제어부(300)로 제공할 수 있다. 그리고 상기 제어부(300)는 제공받은 운전시간을 상기 메모리(310)에 저장할 수 있다.
일례로, 상기 타이머(320)는 난방모드 또는 제상모드가 수행되는 운전시간을 측정할 수 있다. 그리고 상기 제어부(300)는 상기 타이머(320)로부터 난방모드 또는 제상모드의 운전시간을 실시간으로 감지할 수 있다.
또한, 상기 제어부(300)는 상기 난방모드 또는 제상모드가 종료되면, 총 운전시간을 상기 메모리(310)에 저장할 수 있다.
상기 히트펌프(1)는 냉매가 순환하는 냉매라인 및 냉각수가 순환하는 냉각수라인에 설치되는 다수의 감지센서(PT,CT)를 더 포함할 수 있다.
상기 다수의 감지센서(PT,CT)는, 냉매 또는 냉각수의 상태를 감지할 수 있다. 일례로, 상기 다수의 감지센서는, 냉매의 압력과 온도를 감지하는 냉매감지센서(PT) 및 냉각수의 온도를 감지하는 냉각수감지센서(CT)를 포함할 수 있다.
상기 다수의 감지센서(PT,CT)는 상기 냉각수와 상기 냉매의 상태에 대한 감지정보를 제어부(300)로 제공할 수 있다. 그리고 상기 제어부(300)는 상기 다수의 감지센서(PT,CT)로부터 제공되는 감지정보를 기초로 운전모드를 결정하고, 결정된 운전모드를 수행하도록 각각의 히트펌프(1) 구성을 제어할 수 있다.
상기 냉각수감지센서(CT)는 전기자동차의 전장 부품을 방열하기 위해 순환하는 냉각수라인에 설치될 수 있다. 그리고 상기 냉각수감지센서(CT)는 다수 개로 구비될 수 있다.
상기 냉매감지센서(PT)는 상기 실외 열교환기(370)의 일 측에 설치되는 실외열교환센서(370)를 포함할 수 있다.
상기 실외열교환센서(370)는 상기 실외 열교환기(45)를 통과한 냉매의 온도와 압력을 감지할 수 있다. 일례로, 상기 실외열교환센서(370)는 상기 실외 연결배관(113)에 설치될 수 있다.
따라서, 상기 난방모드에서 상기 제어부(300)는 상기 실외열교환센서(370)의 감지정보를 이용하여 실외 열교환기(45)의 출구에서의 냉매 압력을 측정할 수 있다.
상기 실외 열교환기(45)의 출구에서의 냉매 압력은, “실외열교환기 출구압력”으로 이름할 수 있다.
그리고 상기 실외열교환기 출구압력은 후술할 착상 여부를 판단하기 위한 판단인자로 사용된다.
또한, 상기 냉매감지센서(PT)는 압축기(100)의 흡입 측에 설치되는 압축기입구센서(360)를 더 포함할 수 있다.
상기 압축기입구센서(360)는 상기 압축기(100)로 흡입되는 냉매의 온도와 압력을 감지할 수 있다. 일례로, 상기 압축기입구센서(360)는 상기 흡입배관(105)에 설치될 수 있다.
따라서, 상기 난방모드에서 상기 제어부(300)는 상기 압축기입구센서(360)의 감지정보를 이용하여 압축기(100)로 흡입되는 냉매 온도를 측정할 수 있다.
상기 압축기(100)로 흡입되는 냉매 온도는 “압축기 입구온도”로 이름할 수 있다.
그리고 상기 압축기 입구온도는 후술할 착상 여부를 판단하기 위한 판단인자로 사용된다.
상기 냉각수감지센서(CT)는 파워트레인모듈(10)을 순환하는 냉각수의 온도를 감지하는 냉각수온도센서(350)를 포함할 수 있다.
상기 냉각수온도센서(350)는 상기 파워트레인라인(19)에 설치할 수 있다. 상세히, 상기 냉각수온도센서(350)는 상기 파워트레인모듈(10)을 통과한 냉각수의 온도를 감지하도록 파워트레인라인(11)에 설치될 수 있다. 일례로, 상기 냉각수온도센서(350)는 상기 파워트레인밸브(19)의 반대 측에 위치할 수 있다.
즉, 상기 냉각수온도센서(350)는 상기 파워트레인모듈(10)의 냉각수 출구에 설치되어 냉각수의 온도를 감지할 수 있다.
상기 제어부(300)는 상기 냉각수온도센서(350)의 감지정보를 이용하여 폐열회수모드 돌입 여부를 판단할 수 있다. 즉, 상기 제어부(300)는 상기 냉각수온도센서(350)의 감지정보를 기초로 일반 난방모드 또는 폐열회수모드로 운전되도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부(300)는 상기 냉각수의 온도에 따라 상기 파워트레인펌프(13)와 상기 라디에이터펌프(16)의 선택적인 작동을 제어할 수 있다.
물론, 상기 냉각수감지센서(CT)는 배터리(20)를 순환하는 냉각수의 온도를 감지하기 위해 배터리라인(28)에 설치되는 냉각수온도센서를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 히트펌프(1)는 실외온도를 감지하는 실외온도센서(330), 전기자동차의 실내온도를 감지하는 실내온도센서(340), 전기자동차의 내부로 입사되는 일사량을 측정하는 일사량감지센서(미도시) 및 재실인원을 감지하는 인체감지센서(미도시)를 더 포함할 수 있다.
상기 실외온도센서(330)는 전기자동차의 실외(또는 외기)온도를 감지하기 위해 구비될 수 있다. 그리고 상기 실내온도센서(340)는 전기자동차의 실내(또는 객실)온도를 감지하기 위해 구비될 수 있다. 일례로, 상기 실내온도센서(340)는 상기 실내에 설치될 수 있다.
그리고 상기 실외온도센서(330)와 상기 실내온도센서(340)는 감지정보를 제어부(300)에 제공할 수 있다. 마찬가지로, 상기 일사량감지센서 및 상기 인체감지센서도, 감지정보를 상기 제어부(300)로 제공할 수 있다.
또한, 상기 히트펌프(1)는 열을 발생시키는 전기자동차의 전장 부품의 온도를 감지하기 위한 온도센서(미도시)를 더 포함할 수 있다. 일례로, 상기 히트펌프(1)는 상기 파워트레인모듈(10)과 상기 배터리(20)의 온도를 감지할 수 있는 온도센서를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 히트펌프(1)는 서지탱크(50)를 더 포함할 수 있다.
상기 서지탱크(50)는 구동모터의 방열을 위해 소정의 체적을 가지도록 형성할 수 있다. 그리고 상기 서지탱크(50)에는 공기가 채워질 수 있다. 따라서, 상기 서지탱크(50)는 상기 파워트레인모듈(10)에서 발생되는 폐열을 회수하는 난방모드에서 활용될 수 있다.
이하 도 3을 참조하여, 상기 보조 열교환기(200)에 대해 설명한다.
상기 보조 열교환기(200)는 외관을 형성하는 케이스(210), 상기 흡입배관(105)이 결합되는 토출관(205), 상기 어큠배관(170)이 결합되는 흡입관(207), 상기 제 1 보조배관(141)이 결합되는 유입관(241), 상기 제 2 보조배관(142)이 결합되는 배출관(242) 및 상기 케이스 내부에서 상기 유입관(241)과 배출관(242)을 연결해주는 나선관(245)을 포함할 수 있다.
상기 케이스(210)는 도입된 냉매가 상분리할 수 있는 내부 공간을 형성할 수 있다. 일례로, 상기 케이스(210)는 원통 형상을 포함할 수 있다.
상기 흡입관(207)은 상기 케이스(210)의 상면을 관통하여 상기 내부 공간의 하측으로 연장될 수 있다. 일례로, 상기 흡입관(207)은 상기 케이스(210)의 중심 축선을 따라 연장될 수 있다.
상기 흡입관(207)의 상단은 상기 어큠배관(170)과 결합할 수 있다.
상기 흡입관(207)의 하단은 상기 케이스(210)의 하면보다 상방으로 이격되어 위치할 수 있다. 따라서, 상기 어큠배관(170)을 통해 상기 흡입관(207)으로 유입되는 냉매는 상기 케이스(210)의 하면으로 토출되어 상기 내부 공간에 채워질 수 있다.
상기 흡입관(207)으로부터 상기 내부 공간으로 배출된 냉매는, 상기 내부 공간에서 액상 냉매와 기상 냉매로 분리될 수 있다. 그리고 상기 기상 냉매는 상기 토출관(205)으로 유입되어 상기 흡입배관(105)을 통해 압축기(100)로 회수 될 수 있다.
상기 토출관(205)은 상기 케이스(210)의 상면을 관통하여 상기 내부 공간으로 연장될 수 있다.
상기 토출관(205)의 상단은 상기 흡입배관(105)과 결합할 수 있다.
상기 토출관(205)의 하단은 상기 내부 공간의 상측에 위치할 수 있다. 일례로, 상기 토출관(205)의 하단은 상기 나선관(245)의 상단 보다 상방으로 위치할 수 있다.
또한, 상기 토출관(205)의 하단은, 일측 방향으로 라운드지게 연장되며, 상기 내부 공간에 채워진 기상냉매가 유입되도록 개구를 형성할 수 있다. 따라서, 상기 토출관(205)으로 유입된 기상 냉매는 상기 흡입배관(105)으로 유동할 수 있다.
상기 보조 열교환기(200)에는 응축냉매를 과냉각 하기 위한 냉매 간의 열교환을 수행할 수 있다.
상기 유입관(241)은 상기 케이스의 상면을 관통하여 상기 내부 공간의 하측까지 연장될 수 있다. 일례로, 상기 유입관(241)은 상기 흡입관(207)의 연장 방향을 따라 하방으로 길게 연장될 수 있다.
상기 유입관(241)의 상단은 상기 제 1 보조배관(141)과 결합할 수 있다.
상기 유입관(241)의 하단은 상기 나선관(245)이 결합할 수 있다.
상기 나선관(245)은 상기 내부 공간의 하측에서부터 상기 유입관(241) 및/또는 상기 흡입관(207)을 외측에서 다수 회 둘러싸도록 상방으로 연장될 수 있다. 일례로, 상기 나선관(245)은 헬리컬(helical) 형상을 가지도록 상방으로 연장될 수 있다.
이에 의하면, 상기 나선관(245)을 유동하는 응축냉매는 상기 흡입관(207)으로부터 상기 내부 공간으로 배출된 증발냉매와 열교환을 할 수 있다. 따라서, 상대적으로 온도가 높은 응축냉매는 상대적으로 온도가 낮은 증발냉매와 열교환 되어 과냉각될 수 있다.
또한, 상기 증발냉매는 상대적으로 온도가 높은 응축냉매와 열교환 되어 잔존하는 액상 냉매를 기상 냉매로 증발시킬 수 있다. 이에 의하면, 상기 압축기(100)로 회수되는 기상 냉매의 양을 증가시킬 수 있다.
상기 나선관(245)은 상기 내부 공간에 위치할 수 있다. 그리고 상기 나선관(245)의 상단은 상기 배출관(242)에 결합할 수 있다.
상기 배출관(242)은 상기 나선관(245)으로부터 상기 케이스(210)의 상면을 관통하여 상방으로 연장될 수 있다. 그리고 상기 배출관(242)의 상단은 상기 제 2 보조배관(142)과 결합할 수 있다.
한편, 상기 보조 열교환기(200)에 의하면, 응축냉매의 과냉각도를 증가시켜 증발기가 아닌 곳에서 증발한 냉매가스로 규정되는 플래쉬 가스(flash gas)를 감소시킬 수 있다.
상기 플래쉬 가스는 증발기로 공급되는 냉매유량의 손실 및 잠열량 감소로 성능 저하를 유발시키는 가스이다. 따라서, 상기 보조 열교환기(200)는 상기 응축냉매의 과냉도를 상대적으로 더욱 확보하여 팽창밸브(118,135,156,161,118)로 제공할 수 있기 때문에 상기 플래쉬 가스를 감소시킬 수 있다.
또한, 상기 응축냉매의 과냉각도 증가는 증발기 입구측 냉매의 액상 비율을 보다 증가시킬 수 있다. 이에 의하면, 증발과정에서 흡입열량이 상승하는 장점이 있다.
상기 히트펌프(1)에 설치되는 다수의 감지센서(PT,CT)는 작동 유체의 감지 정보를 제어부(300)로 제공하며, 상기 제어부(300)는 상기 감지 정보를 기초로 적정 과냉도를 유지시킬 수 있도록 제어할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프(1)의 운전모드에 따라 작동 유체의 흐름 및 사이클을 설명하도록 한다. 여기서, 상기 작동 유체는 1차 유체로 규정되는 냉매 및 2차 유체로 규정되는 냉각수를 포함한다.
설명과 이해의 편의를 위하여, 도 5 및 도 6에서 상술한 다수의 펌프(13,16,21,61)와 다수의 밸브(118,135,156,161,164)는, 채색 여부에 따라 작동(ON) 또는 미작동(OFF)을 나타내도록 표시된다. 즉, 도면에 채색된 펌프 또는 밸브는 미작동(OFF) 상태를 의미하고, 도면에 채색되지 않은 펌프 또는 밸브는 작동(ON) 상태를 의미한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템의 난방모드에서 작동 유체의 흐름을 보여주는 도면이다.
도 5을 참조하여 설명하는 난방모드는, “일반 난방모드”로 이름할 수 있다.
도 5을 참조하면, 상기 난방모드에서, 상기 폐열 팽창밸브(161), 상기 쿨러 팽창밸브(156), 상기 실내 팽창밸브(135)는 완전히 폐쇄(Full Close)될 수 있다. 그리고 상기 칠러밸브(164)도 폐쇄될 수 있다.
상기 실외 팽창밸브(118)는 개방될 수 있다. 그리고 상기 실외 팽창밸브(118)는 개도 조절을 통하여 통과하는 냉매를 팽창시킬 수 있다.
한편, 일반적으로 전기자동차의 난방모드는, 실외 온도가 낮은 계절, 날씨 등에서 운전될 수 있다. 따라서, 상기 난방모드에서 상기 파워트레인펌프(13), 상기 라디에이터펌프(16) 및 상기 배터리펌프(21)는 미작동(OFF)될 수 있다.
또한, 상기 객실히터기(60)는 상기 실내 열교환기(35)가 응축기로 작동하는 난방모드에서 작동하지 않을 수 있다. 즉, 상기 객실히터기(60)는 상기 실내 열교환기(35)가 증발기로 작동하는 난방모드(제상모드, 제습모드 등)에서 작동할 수 있다. 따라서, 상기 히터펌프(61)는 미작동(OFF)될 수 있다.
상기 압축기(100)로부터 토출되는 고온, 고압의 압축냉매는, 상기 사방밸브(110)를 거쳐 상기 실내 연결배관(138)으로 유입될 수 있다. 그리고 상기 실내 연결배관(138)의 압축냉매는, 실내 열교환기(35)를 통과하면서 응축될 수 있다.
상기 실내 열교환기(35)를 통과한 응축냉매는, 상기 실내 팽창밸브(135)가 폐쇄된 상태이므로, 상기 실내분지점(131)을 거쳐 상기 유동배관(120)으로 유입될 수 있다.
그리고 상기 유동배관(120)으로 유입된 응축냉매는, 상기 제 2 유동밸브(127)를 통과하여 상기 제 1 보조배관(141)으로 유입될 수 있다. 여기서, 상기 제 1 유동밸브(125)는 상기 유동배관(120)의 응축냉매가 상기 실외분지점(116)으로 유동하지 않도록 냉매의 유동 방향을 제한할 수 있다.
상기 제 1 보조배관(141)으로 유입된 응축냉매는, 상기 보조 열교환기(200)를 통과하면서 과냉각되고, 상기 과냉각된 냉매는 상기 제 2 보조배관(142)으로 유입된다.
그리고 상기 실내 팽창밸브(135)가 폐쇄된 상태이므로, 상기 제 2 보조배관(142)의 과냉각된 냉매는, 상기 공통배관(150)으로 유입될 수 있다.
상기 공통배관(150)으로 유입된 냉매는, 상기 폐열 팽창밸브(161)와 상기 쿨러 팽창밸브(156)가 폐쇄된 상태이므로 상기 실외배관(115)으로 유입될 수 있다.
상기 실외배관(115)으로 유입된 냉매는 상기 실외 팽창밸브(118)를 통과하면서 팽창될 수 있다. 그리고 상기 팽창된 냉매는 상기 실외 열교환기(45)로 유입되어 증발될 수 있다.
상기 실외 열교환기(45)에서 증발된 냉매는, 상기 사방밸브(110)를 거쳐 상기 어큠배관(170)으로 유입될 수 있다. 그리고 상기 어?n배관(170)의 증발냉매는 상기 보조 열교환기(200)를 통과하면서 상술한 응축냉매와 열교환될 수 있다. 이후, 상기 보조 열교환기(200)에서 액상과 분리된 기상 상태의 증발냉매가 상기 흡입배관(105)으로 유입될 수 있다.
그리고 상기 흡입배관(105)으로 유입된 냉매는 상기 압축기(100)로 회수될 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템의 제상모드에서 작동 유체의 흐름을 보여주는 도면이다. 구체적으로, 도 6은 실내에 난방을 제공하는 제상모드(이하, 제상난방모드)를 기준으로 냉각수 및 냉매의 흐름을 보여주는 도면이다.
도 6을 참조하면, 제상난방모드에서 상기 실외 열교환기(45)는 응축기로 작동하며, 상기 실내 열교환기(35)는 증발기로 작동할 수 있다.
이하, 상기 제상모드에서 냉매 사이클을 설명한다.
난방모드에서 실외 열교환기(45)의 관내를 유동하는 냉매의 증발온도가 0도(°C) 이하로 유지되면, 상기 실외 열교환기(45)의 표면에 존재하는 습공기의 응축수에 서리가 발생하여 표면에 부착되는 착상이 발생할 수 있다.
따라서, 상기 압축기(100)로부터 토출된 고온, 고압의 압축냉매는, 상기 사방밸브(110)를 거쳐 상기 실외 열교환기(45)로 유입될 수 있다.
상기 실외 열교환기(45)는 전기자동차의 주행 및/또는 실외팬(46)에 의해 외기와 상기 압축냉매를 열교환시킬 수 있다.
즉, 상기 실외 열교환기(45)는 고온의 압축냉매가 유동하게 되며, 상기 고온의 압축냉매는 상기 실외 열교환기(45)에 부착된 서리를 녹일 수 있다. 즉, 상기 고온의 압축냉매와 서리는 열교환을 할 수 있다.
따라서, 상기 실외 열교환기(45)의 표면에 부착된 서리는 녹아 흘러내리게 되어 제상이 수행된다.
또한, 상기 실외 열교환기(45)를 통과한 냉매는 응축될 수 있다. 그리고 상기 응축냉매는 실외배관(115)으로 유입될 수 있다.
한편, 상기 실외팬(46)의 작동에 의해 송풍되는 공기는, 상기 실외 열교환기(45)를 통과하는 압축냉매의 대류 열전달을 발생시킬 수 있다. 그러나 상기 대류 열전달은 열 손실을 유발되므로 실외 열교환기(45)의 표면을 통한 서리와 압축냉매간의 열 전달률을 감소시킬 수 있다. 즉, 상기 실외팬(46)의 작동(ON)은 상기 서리가 물로 변화하는 과정에서 열 손실을 유발하여 제상성능을 감소시킬 수 있다.
따라서, 상기 제상모드에서 상기 실외팬(46)은 오프(OFF)될 수 있다. 일례로, 상기 제어부(300)는 상기 제상모드로 돌입할 때, 상기 실외팬(46)을 오프(OFF)시켜 상기 서리와 상기 고온의 압축냉매간의 열 전달 효율을 최대화시킬 수 있다.
이에 의하면, 상기 실외팬(46)의 작동에 의해 열 손실을 유발하는 대류 열전달을 방지할 수 있다. 따라서, 제상에너지의 손실을 저감시킬 수 있다.
한편, 상기 실외 열교환기(45)를 통과한 응축냉매는, 상기 유동배관(120)으로 유입될 수 있다. 그리고 상기 유동배관(120)으로 유입된 응축냉매는, 상기 제 1 유동밸브(125)를 통과하여 상기 제 1 보조배관(141)으로 유입된다. 이때, 상기 제 2 유동밸브(127)는 상기 응축냉매가 실내분지점(131)을 향하여 유동할 수 없도록 냉매의 유동방향을 제한할 수 있다.
상기 제 1 보조배관(141)으로 유입된 응축냉매는, 상기 보조 열교환기(200)에서 증발냉매와 열교환되어 과냉각될 수 있다.
상세히, 상기 제 1 보조배관(141)의 응축냉매는, 유입관(241), 나선관(245) 및 배출관(242)을 차레로 유동하면서 상기 케이스(210)의 내부 공간에 채워지는 기상 및/또는 액상 상태의 증발냉매와 열교환할 수 있다. 따라서, 상기 응축냉매는 열교환에 의해 과냉각될 수 있다.
그리고 상기 과냉각된 냉매는 상기 배출관(242)을 통해 상기 제 2 보조배관(142)으으로 유동하며, 상기 실내배관(130)으로 유입될 수 있다.
상기 실내배관(130)으로 유입된 과냉각된 냉매는, 상기 실내 팽창밸브(135)를 통과하면서 팽창될 수 있다. 그리고 상기 팽창된 냉매는 상기 실내 열교환기(35)로 유입될 수 있다.
상기 팽창된 냉매는, 상기 실내 열교환기(25)에서 상기 실내팬(36)에 의해 공기와 열교환되어 증발될 수 있다. 그리고 상기 증발된 냉매는 상기 실내 연결배관(138)을 통해 배출될 수 있다. 상기 실내 연결배관(138)의 증발냉매는 상기 사방밸브(110)를 거쳐 상기 어?n배관(170)으로 유입된다. 그리고 상기 어큠배관(170)으로 유입된 증발냉매는, 상기 보조 열교환기(200)에서 상기 응축냉매와 열교환할 수 있다.
상세히, 상기 어?n배관(170)을 통해 상기 흡입관(207)으로 유입되는 증발냉매는, 상기 케이스(210)의 내부 공간에 배출될 수 있다. 따라서, 상기 케이스(210)의 내부 공간은 액상 및 기상 상태의 증발냉매로 채워질 수 있다.
이때, 상기 증발냉매는, 상기 나선관(245)을 통과하는 응축냉매의 열을 흡수할 수 있다. 따라서, 액상 상태의 증발냉매는 기상으로 증발될 수 있다. 그리고 기상 상태의 증발냉매는 상기 토출관(205)으로 유입된다.
그리고 상기 토출관(205)으로 유입된 증발냉매는 상기 흡입배관(105)을 통해 압축기(100)의 흡입측으로 회수되면서 사이클을 형성할 수 있다.
한편, 상기 제상모드에서 상기 실내 열교환기(35)는 증발기로 작동하기 때문에 실내덕트(31)의 주변 공기를 냉각시킬 수 있다. 상세히, 상기 실내 열교환기(35)는 증발기로 작동하므로 냉매가 주위 공기로부터 열을 흡수할 수 있다.
상기 실내팬(36)의 작동에 의하여, 상기 실내 덕트(31)로 유입된 상대적으로 고온의 실내 공기는 상기 실내 열교환기(35)를 유동하는 냉매로 열을 방출하여 냉각될 수 있다.
따라서, 실내에 난방 제공을 유지할 수 있도록, 상기 히터작동기(60)는 작동(ON)될 수 있다. 이에 의하면, 상기 제상모드에서도 실내에 난방을 연속적으로 제공할 수 있다. 즉, 상기 제상난방모드가 수행될 수 있다.
상기 히터작동기(60)가 작동되면, 상기 히터펌프(61)가 작동(ON)되어 냉각수는 상기 히터라인(68)을 순환할 수 있다. 그리고 상기 냉각수는 상기 히터(63)를 통과하면서 열을 흡수할 수 있다.
상기 히터(63)를 통과한 냉각수는 고온상태로 상기 히터코어(63)를 통과할 수 있다. 따라서, 상기 히터코어(63)는 상기 히터(63)에 의한 열을 냉각수로부터 전달받아 달구어질 수 있다.
상기 실내팬(36)이 발생시키는 송풍은 상기 실내덕트(31)로 유입된 공기를 상기 히터코어(63)로 통과시킬 수 있다. 따라서, 상기 실내 열교환기(35)에 의해 냉각된 온도는 상기 히트코어(63)를 통과하면서 온도가 다시 높아질 수 있다.
상기 히터코어(63)를 통과한 공기는 다시 실내로 토출될 수 있다. 이에 의하면, 상기 실내에는 실내 열교환기(35)가 증발기로 작동하여도 난방이 계속 제공될 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 제상난방모드에서, 상기 실외 팽창밸브(151), 폐열 팽창밸브(161) 및 상기 쿨러 팽창밸브(156)는 완전히 폐쇄(Full close)될 수 있다. 그리고 상기 칠러밸브(164)도 폐쇄될 수 있다.
또한, 상기 실내 팽창밸브(135)는 개방될 수 있다. 그리고 상기 실내 팽창밸브(135)는 개도 조절을 통하여 통과하는 냉매를 팽창시킬 수 있다. 따라서, 상기 제 2 보조배관(142)의 과냉각된 냉매는 상기 실내배관(130)으로 유입되어 상기 실내 팽창밸브(135)에 의해 팽창될 수 있다.
한편, 상기 히트펌프(1)는 상술한 난방모드에서 배터리(20)의 전력소모를 저감하기 위해 파워트레인모듈(10) 및/또는 배터리(20)를 순환하는 냉각수를 냉매 증발의 열원으로 이용하는 폐열회수모드로 작동할 수 있다.
상기 폐열회수모드에서 상기 실내 팽창밸브(135)는 완전히 폐쇄(Full close)될 수 있다. 그리고 상기 폐열 팽창밸브(161) 및 상기 칠러밸브(164)는 개방될 수 있다. 또한, 상기 파워트레인펌프(13)는 작동(ON)된다. 그리고 상기 히터펌프(61)는 미작동(OFF)된다.
상기 폐열회수모드에서, 상기 압축기(100)로부터 토출된 압축냉매는, 상기 사방밸브(110)를 거쳐 상기 실내 열교환기(35)로 유입될 수 있다. 그리고 상기 압축냉매는 상기 실내 열교환기(35)를 통과하면서 응축될 수 있다.
상기 실내 열교환기(35)를 통과한 응축냉매는, 상기 실내 팽창밸브(135)가 폐쇄된 상태이므로, 상기 유동배관(120)을 따라 상기 제 1 보조배관(141)으로 유입될 수 있다.
그리고 상기 제 1 보조배관(141)으로 유입된 응축냉매는, 상기 보조 열교환기(200)를 통과하면서 과냉각되고, 상기 과냉각된 냉매는 상기 제 2 보조배관(142)을 통해 상기 공통배관(150)으로 유입될 수 있다.
상기 공통배관(150)으로 유입된 냉매는, 상기 실외 팽창밸브(118) 및 상기 쿨러 팽창밸브(156)가 폐쇄된 상태인 경우, 상기 칠러배관(160)으로 유입될 수 있다. 그리고 상기 칠러배관(160)으로 유입된 냉매는 상기 폐열 팽창밸브(161)를 통과하면서 팽창될 수 있다.
상기 팽창된 냉매는 상기 파워트레인칠러(15)로 유입되어 상기 파워트레인모듈(10)의 열을 흡수한 고온의 냉각수와 열교환될 수 있다.
즉, 상기 팽창된 냉매는, 상기 파워트레인칠러(15)를 통과하면서 증발될 수 있다. 여기서, 상기 파워트레인칠러(15)는 증발기로 작동할 수 있다.
상기 파워트레인칠러(15)를 통과한 증발냉매는, 상기 칠러밸브(164)가 개방 상태이므로 상기 칠러회수배관(163)을 통해 상기 어큠배관(170)으로 유입될 수 있다.
그리고 상기 어큠배관(170)으로 유입된 증발냉매는, 상기 보조 열교환기(200)를 통과하면서 상기 응축냉매와 열교환될 수 있다. 그리고 상기 보조 열교환기(200)에서 기상 상태로 분리된 증발냉매는, 상기 흡입배관(105)으로 유입되어 상기 압축기(100)로 회수될 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템의 운전모드를 판단하기 위한 제어방법을 보여주는 플로우 차트이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템(1)의 제어방법은, 히트펌프 온(ON)단계(S1)를 포함할 수 있다.
상기 히트펌프 온(ON)단계는, 실내 컨트롤러(39)에 의한 사용자의 히트펌프 작동 명령을 입력받는 단계로 이해할 수 있다.
사용자는 실내 공조환경을 쾌적하게 하도록 실내 컨트롤러(39)를 조작할 수 있다. 일례로, 상기 실내 컨트롤러(39)에는 실내 공조환경에 대한 현 상태를 자동으로 판단하고 최적의 운전모드를 제공할 수 있는 오토(Auto) 입력버튼이 구비될 수 있다. 물론, 상기 실내 컨트롤러(39)에는 사용자가 원하는 운전모드와 실내 공조환경을 직접 입력할 수 있는 매뉴얼(Manual) 입력버튼이 구비될 수도 있다.
그리고 상기 히트펌프(1)는, 사용자 설정온도를 입력 받을 수 있다.(S2)
상기 사용자 설정온도는, 상기 실내 컨트롤러(39)를 이용하여 사용자가 직접 원하는 온도로 설정할 수 있다.
사용자가 상기 사용자 설정온도를 입력하면, 상기 히트펌프(1)는 실내 및 실외 환경과, 전기자동차 부품의 상태를 감지하여 최적의 운전모드로 실내 공조를 수행할 수 있다.
즉, 상기 히트펌프(1)는 상기 사용자 설정온도, 실외(외기)온도, 실내온도, 일사량 및 실내인원을 감지하고, 상기 감지정보를 기초로 실내로 토출되는 공기의 목표온도를 계산할 수 있다.(S3)
상세히, 상기 제어부(300)는, 상기 실외온도센서(330)로부터 실외온도를 감지하고, 상기 실내온도센서(340)로부터 실내온도감지하며, 상기 일사량감지센서에 의해 일사량을 감지하고, 상기 인체감지센서에 의해 실내인원을 감지할 수 있다.
그리고 제어부(300)는 상기 감지된 실외온도, 실내온도, 일사량, 실내인원을 기초로 상기 메모리(310)에 미리 저장된 테이블을 통해 목표온도를 계산할 수 있다.
즉, 상기 실내로 토출되는 공기의 온도로 규정되는 목표온도는, 실외온도, 실내온도, 일사량 및 실내인원을 변수로 결정할 수 있다. 일례로, 상기 사용자 설정온도가 23도씨(°C)이고 실외온도가 0도씨(°C)인 경우, 상기 실내로 토출되는 공기의 목표온도는 43도씨(°C)로 계산될 수 있다.
또한, 상기 히트펌프(1)는 상기 계산된 목표온도를 기초로 운전모드를 판단할 수 있다.(S4)
상세히, 상기 히트펌프(1)는 상기 계산된 목표온도, 실외온도, 포화압력 및 이슬점을 기초로 상기 히트펌프(1)의 다양한 운전모드 중 사용자 설정온도로 실내온도를 도달시키기 위한 최적의 운전모드를 판단할 수 있다.
일례로. 상기 계산된 목표온도가 43도씨(°C)이고, 상기 실외온도가 0도씨(°C)이면, 상기 히트펌프는 난방모드(S10)로 판단할 수 있다.
상기 히트펌프(1)는 상기 운전모드를 판단하는 단계를 통해 환기모드(S5), 냉방모드(S6) 및 난방모드(S10) 중 어느 하나의 운전모드를 결정할 수 있다.
그리고 상기 제어부(300)는 상기 결정된 운전모드로 냉매와 냉각수의 사이클이 작동하도록 각각의 구성을 제어할 수 있다.
한편, 상기 히트펌프(1)는 상기 S2 내지 S4 단계와 독립적으로 파워트레인모듈(10)의 온도를 감지하여 방열 필요여부를 판단할 수 있다.
마찬가지로 상기 히트펌프(1)는 상기 S2 내지 S4단계와 독립적으로 배터리(20)의 온도를 감지하여 방열 필요여부를 판단할 수 있다.
그리고 상기 파워트레인모듈(10)에 방열이 필요한 경우, 상기 히트펌프(1)는 실외온도, 냉각수 온도 및 상기 S4단계에서 결정되는 운전모드를 기초로 파워트레인펌프(13) 또는 라디에이터펌프(16)가 작동하도록 제어할 수 있다.
일례로, 상기 히트펌프(1)는 후술할 난방모드(S10) 중 폐열회수모드로 작동하는 경우에 상기 파워트레인펌프(13)가 작동하도록 제어할 수 있다. 상기 파워트레인펌프(13)가 작동(ON)하는 경우, 상기 폐열 팽창밸브(161)는 개방되어 냉매를 상기 파워트레인칠러(15)로 유입시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 난방모드에서 제상모드로 돌입하기 위한 제어방법을 보여주는 플로우 차트이며, 도 9는 도8의 제 2 지표(△Pc) 측정을 보여주는 시간별 실외 열교환기의 냉매압력 그래프이다.
도 8을 참조하면, 상기 히트펌프(1)는 난방모드(S10)로 운전모드가 결정되면, 폐열회수 조건을 만족하는지 판단할 수 있다.(S100)
상기 폐열회수모드는 전기자동차의 전장 부품에서 발생되는 열을 냉매의 증발 열원으로 이용하는 모드로 규정될 수 있다.
상세히, 상기 폐열회수 조건은, 전장 부품의 방열을 수행하는 냉각수의 온도가 냉각수 기준온도 보다 큰지로 설정될 수 있다. 상기 폐열회수 조건은 상기 메모리(310)에 미리 저장될 수 있다.
상기 냉각수 기준온도는 냉각수의 점성력이 급변하는 구간이 시작되는 온도로 규정될 수 있다. 일례로, 상기 냉각수 기준온도는 10도씨(°C)로 결정될 수 있다.
일례로, 상기 파워트레인칠러(15)에서 냉각수가 정상적으로 냉매와 열교환하도록, 상기 제어부(300)는 상기 냉각수온도센서(350)로부터 감지된 냉각수의 온도가 냉각수 기준온도(10°C) 보다 큰지를 판단할 수 있다.
상기 히트펌프(1)는 상기 냉각수의 온도가 상기 냉각수 기준온도 보다 크다면, 상술한 폐열회수모드로 운전할 수 있다.(S105)
상세히, 상기 제어부(300)는 실내의 난방을 상기 폐열회수모드로 제공하도록 각 구성을 제어할 수 있다.
일례로, 상기 제어부(300)는 상기 실내 팽창밸브(135)를 완전히 폐쇄(Full close)하도록 제어하고, 상기 폐열 팽창밸브(161) 및 상기 칠러밸브(164)를 개방하도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부(300)는 상기 파워트레인펌프(13)를 작동(ON)시킬 수 있다. 이때, 상기 히터펌프(61)는 미작동(OFF)될 것이다.
물론, 상기 제어부(300)는 배터리(20)의 방열이 필요한 경우 상기 쿨러 팽창밸브(156)의 개도를 조절함으로써 상기 파워트레인칠러(15)의 기능을 상기 배터리쿨러(25)가 동일하게 수행하도록 할 수 있다.
이에 의하면, 상기 파워트레인모듈(10) 또는 배터리(20)의 폐열을 흡수한 냉각수를 냉매의 증발을 위한 열원으로 사용할 수 있다.
따라서, 상기 실외 열교환기(45)에서 외기를 냉매의 증발을 위한 열원으로 사용하는 것 보다 증발 온도를 높여줄 수 있다. 결국, 상기 히트펌프(1)의 난방 성능을 개선시킬 수 있다.
또한, 상기 폐열회수모드에 의하면, 전기자동차의 전장 부품에서 발생하는 폐열을 활용함으로써 배터리의 소모전력을 최소화할 수 있고 탑승자의 온열 쾌적감을 향상시킬 수 있다.
상기 히트펌프(1)는 상기 폐열회수모드에서 상기 실외 열교환기(45)를 사용하지 않을 수 있다. 이 경우, 상기 폐열회수모드에서 상술한 착상은 발생하지 않는다. 따라서, 상기 히트펌프(1)는 착상 여부를 판단하기 앞서서 상기 폐열회수 조건을 만족하는지 판단할 수 있다.
한편, 상기 히트펌프(1)는 상기 냉각수의 온도가 상기 냉각수 기준온도 보다 작다면, 상술한 일반 난방모드로 운전할 수 있다.(S110)
그리고 상기 일반 난방모드가 수행되면, 상기 실외 열교환기(45)는 열교환을 통해 냉매를 증발시키기 때문에 상술한 착상이 발생할 수 있다.
상기 일반 난방모드로 운전을 시작하면, 상기 히트펌프(1)는 직전의 전기자동차 운행에서 제상모드로 운전 중 시동 오프(OFF) 여부를 판단할 수 있다.(S120)
상세히, 상기 제어부(300)는 상기 메모리(310)로부터 이전 운행 기록을 제공받아 운행 종료시점에서 제상모드로 작동하였는지를 판단할 수 있다. 즉, 상기 제어부(300)는 제상모드로 운전 중 시동 오프에 따른 운전 중단 기록 여부를 판단할 수 있다. 일례로, 상기 제어부(300)는 제상모드로 운전되는 도중에 전기자동차의 시동이 오프(OFF)된 기록이 상기 메모리(310)에 존재하는지를 판단할 수 있다.
상기 히트펌프(1)는 직전의 운행 기록으로부터 제상모드로 운전되는 도중 시동이 오프(OFF)된 것이 아니라면, 난방모드 운전시간을 감지할 수 있다.(S130)
상기 난방모드 운전시간은, 상술한 난방모드로 운전되는 연속운전시간으로 규정할 수 있다.
상세히, 상기 제어부(300)는 상기 타이머(320)로부터 상기 일반 난방모드로 운전되는 경과시간을 제공받을 수 있다.
그리고 상기 히트펌프(1)는 실외온도를 감지할 수 있다.(S140)
상세히, 상기 제어부(300)는 실외온도센서(330)로부터 감지된 실외온도를 제공받을 수 있다.
한편, 직전의 운행에서 제상이 진행되는 도중에 시동이 오프(OFF)된 경우라면, 상기 실외 열교환기(45)의 제상은 불완전하게 종료된 것으로 이해할 수 있다. 따라서, 이후 다시 전기자동차의 시동이 온(ON)된다면, 상기 실외 열교환기(45)의 표면에는 여전히 서리가 달라붙어 있기 때문에 곧바로 착상이 발생한 것으로 판단할 수 있어야 난방성능의 급격한 하락을 방지할 수 있다.
즉, 상기 히트펌프(1)는 후술할 착상 여부를 판단하기 위한 판단인자(이하, “지표”)의 기초조건 중 상기 일반 난방모드로 운전되는 경과시간(이하, “운전시간”)에 대한 판단을 생략할 수 있다.
따라서, 상기 히트펌프(1)는 전기자동차의 운행 특성을 고려하여 직전의 운행종료 시점에서 제상모드가 작동한 경우, S130단계를 생략하고 곧바로 실외온도를 감지(S140)할 수 있다.
상세히, 상기 제어부(300)는 상기 메모리(310)로부터 이전 운행 기록 정보를 제공받아 제상모드로 운전 중에 전기자동차의 운행이 종료된 것으로 판단된다면 상기 난방모드의 운전시간 측정(S130)을 생략하고 상기 실외온도를 감지(S140)할 수 있다.
이에 의하면, 상술한 불완전 제상상태에서 다시 시동이 온(ON)되어도 불필요한 운전시간 조건을 판단할 필요 없이, 바로 착상 여부를 판단할 수 있으므로 제상모드로 빠르게 돌입할 수 있는 장점이 있다.
한편, 상기 실외온도를 감지한 후, 상기 히트펌프(1)는 착상 여부를 판단하는 인자로 규정된 제 1 지표 및 제 2 지표를 측정할 수 있다.(S150)
여기서, 상기 제 1 지표는 상기 압축기 입구온도로 정의한다. 그리고 상기 제 2 지표는 상기 실외열교환기 출구압력의 변화량으로 정의한다.
상기 제어부(300)는 상기 압축기입구센서(360)의 감지정보를 기초로 상기 제 1 지표를 측정할 수 있다. 즉, 상기 제어부(300)는 상기 압축기입구센서(360)로부터 상기 압축기(100)로 흡입되는 냉매의 온도를 측정할 수 있다.
그리고 상기 제어부(300)는 상기 실외열교환센서(370)의 감지정보를 기초로 상기 제 2 지표를 측정할 수 있다.
도 9를 참조하여 상기 제 2 지표의 측정에 대해 상세히 설명한다. 도 9는 시간별 상기 실외열교환기 출구압력을 보여주는 그래프이다.
상기 제어부(300)는 상기 실외열교환센서(370)로부터 상기 실외 열교환기(45)를 통과한 냉매의 압력, 즉 상기 실외열교환기 출구압력을 측정할 수 있다.
여기서, 상기 제어부(300)는 난방모드로 운전이 시작되는 시점으로부터 제 1 시간(Time1)이 경과한 후에 상기 실외열교환기 출구압력을 측정할 수 있다. 일례로, 상기 제 1 시간(Time1)은, 10분 내지 15분으로 설정할 수 있다.
상기 제 1 시간(Time1)은 상기 난방모드로 운전을 시작하는 초기기동 시간으로 이해할 수 있다.
상기 초기기동에서, 즉, 상기 제 1 시간(Time1)이 경과하기 전에는 상기 실외열교환기 출구압력(Pc)이 오버슈트(Overshoot)될 수 있다.
즉, 상기 제 1 시간(Time1)까지는 상기 출구압력(Pc)이 일정하지 못하고 불안정하기 때문에, 상기 제어부(300)는 상기 제 1 시간(Time1)이 경과하고 상기 실외열교환기 출구압력을 측정할 수 있다.
상기 제 1 시간(Time1)이 경과하면, 상기 제어부(300)는 미리 설정된 시간간격으로, 미리 설정된 측정시간 마다 측정된 상기 실외열교환기 출구압력의 평균값(Pcavg)을 계산할 수 있다.
일례로, 상기 미리 설정된 시간간격은 5분으로 설정될 수 있다. 즉, 상기 제어부(300)는 상기 제 1 시간(Time1)으로부터 5분이 경과한 제 2 시간(Time2)까지, 상기 미리 설정된 측정시간마다 측정된 실외열교환기 출구압력의 평균값(Pcavg)을 계산할 수 있다.
또한, 상기 미리 설정된 측정시간은 1분으로 설정할 수 있다. 즉, 상기 제어부(300)는 1분마다 측정된 실외열교환기 출구압력이 5회 생성될 때 평균값(Pcavg)을 계산할 수 있다.
그리고 상기 제어부(300)는 소정의 운전시간 동안 상기 실외열교환기 출구압력이 5회 생성될 때 마다 계산된 평균값(Pcavg)을 갱신할 수 있다. 상기 소정의 운전시간은 안정적인 실외열교환기 출구압력의 평균값(Pcavg)을 확보하는 시간이다.
상기 소정의 운전시간은, 상기 실외 열교환기(45)가 정상적으로 냉매의 증발을 수행하여 실외열교환기 출구압력(Pc)이 거의 일정한 수준을 유지하는 시간으로 이해할 수 있다. 즉, 상기 소정의 운전시간 동안 기록되는 평균값들은 편차가 상대적으로 작을 수 있다. 일례로, 상기 소정의 운전시간은 20분으로 설정할 수 있다.
그리고 상기 제어부(300)는 상기 소정의 운전시간이 경과하면 평균값(Pavg)의 갱신을 중단할 수 있다.
또한, 상기 제어부(300)는 상기 갱신된 평균값(Pcavg)을 메모리(310)에 저장할 수 있다.
상기 실외 열교환기(45) 표면에서 착상이 성장(또는 진행)함에 따라, 증발냉매의 압력과 과열도가 감소할 수 있다. 따라서, 제상모드로 운전하기 위한 착상 판단 시점은, 실외열교환기 출구압력의 평균이 급격하게 감소하는 시점으로 설정할 수 있다.
따라서, 상기 제 2 지표는 실외열교환기 출구압력의 변화량(△Pc)으로 정의한다.
상기 실외열교환기 출구압력의 변화량(△Pc)은 아래의 수학식 1을 따른다.
Figure pat00001
즉, 상기 실외열교환기의 출구압력 변화량(△Pc)은, 상기 평균값(Pcavg)과 감지되는 실외열교환기 출구압력(Pc)의 차로 정의할 수 있다.
여기서, 상기 감지되는 실외열교환기 출구압력(Pc)는, 후술할 제 4 운전시간 경과 후에 감지되는 실외열교환기 출구압력(Pc)으로 규정된다.
상기 제 4 운전시간은, 상기 실외열교환기 출구압력(Pc)을 지표로 착상이 발생할 수 있는 난방모드의 최소연속운전시간으로 규정할 수 있다.
한편, 상기 제어부(300)는 상기 제 1 지표의 측정과 상기 제 2 지표의 측정을 독립적으로 수행할 수 있다. 즉, 상기 제어부(300)는 상기 제 1 지표에 대한 착상 여부 판단과 상기 제 2 지표에 대한 착상 여부 판단을 병렬적으로 수행할 수 있다.
상기 착상 여부 판단은, 실외 열교환기(45)의 표면에 서리가 달라붙는 현상(“착상”)의 발생 여부를 판단하는 것으로 이해할 수 있다.
따라서, 상기 제 1 지표 및 상기 제 2 지표 중 적어도 어느 하나의 지표에 대하여 착상이 발생된 것으로 판단되면 제상모드로 돌입할 수 있다.
상기 히트펌프(1)는 측정된 지표별로 기초조건을 만족하는지 판단할 수 있다.(S160)
즉, 상기 제어부(300)는 상기 측정된 제 1 지표와 제 2 지표가, 각각 규정되는 기초조건을 만족하는지 판단할 수 있다.
상세히, 상기 제어부(300)는 측정된 제 1 지표에 대한 기초조건 만족 여부 판단할 수 있다. 또한, 상기 제어부(300)는 측정된 제 2 지표에 대한 기초조건 만족 여부를 판단할 수 있다.
상기 기초조건은, 착상이 발생할 수 있는 지표별 난방모드의 최소 연속운전시간(제 1 내지 제 4 운전시간), 실외온도 조건 및 상기 실외온도 조건에 대응되는 지표별 설계(온도 또는 압력)조건으로 규정될 수 있다.
상기 지표별 기초조건 만족 여부를 판단하는 단계(S160)에 대한 상세한 설명은, 도 10과 도 11을 참조하여 후술하도록 한다.
상기 히트펌프(1)는 상기 지표별 기초조건을 만족한 것으로 판단되면, 지속시간조건을 만족하는지 판단할 수 있다.(S170)
즉, 상기 제어부(300)는 상기 측정된 제 1 지표 및 상기 측정된 제 2 지표 중 적어도 어느 하나의 지표가 상기 기초조건을 만족하면, 상기 기초조건을 만족한 지표의 지속시간이 상기 지속시간조건을 만족하는지 판단할 수 있다.
상기 지속시간조건은 지표별로 다르게 설정되어 상기 메모리(310)에 미리 저장될 수 있다.
상기 지속시간조건은 상기 제 1 지표 및/또는 상기 제 2 지표가 기초조건을 만족하는 것을 전제로 설정될 수 있다.
즉, 상기 지속시간조건은, 상기 기초조건을 만족한 지표가 착상을 일으키는 시간으로 규정될 수 있다. 상세히, 상기 제 1 지표에 대한 지속시간조건은 3분으로 설정될 수 있다. 그리고 상기 제 2 지표에 대한 지속시간조건은 5분으로 설정될 수 있다.
상기 히트펌프(1)는 상기 지속시간조건을 만족하면 착상이 발생한 것으로 판단할 수 있다.(S180)
상세히, 상기 제어부(300)는, 상기 측정된 제 1 지표(압축기 입구온도)가 기초조건을 만족하고, 상기 지속시간조건(예를 들어, 3분)을 만족하면 착상이 발생한 것으로 판단할 수 있다.
또한, 상기 제어부(300)는 상기 측정된 제 2 지표(실외열교환기 출구압력의 변화량)가 기초조건을 만족하고 상기 지속시간조건(예를 들어, 5분)을 만족하면 착상이 발생한 것으로 판단할 수 있다.
상기 히트펌프(1)는 착상이 발생한 것으로 판단하면, 상술한 제상모드로 운전을 시작할 수 있다.(S200)
즉, 상기 제어부(300)는 상기 제 1 지표 및 상기 제 2 지표 중 적어도 어느 하나의 지표에 대해 착상이 발생한 것으로 판단된 경우, 다수의 밸브 포지션을 제상모드에 맞춰 제어할 수 있다.
상세히, 상기 제어부(200)는 냉매 유동 방향이 전환되도록 사방밸브(110)를 제어하고, 상기 실외 팽창밸브(151), 폐열 팽창밸브(161), 상기 쿨러 팽창밸브(156) 및 상기 칠러밸브(164)가 폐쇄되도록 제어하며, 상기 실내 팽창밸브(135)를 개방하도록 제어할 수 있다.
이에 의하면, 상기 실외 열교환기(45)로 고온의 압축냉매가 유동하면서 제상을 수행할 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 제 1 지표의 기초조건 만족 여부를 판단하기 위한 제어방법을 보여주는 플로우 차트이다.
도 10을 참조하면, 상기 지표별 기초조건 만족 여부를 판단하는 단계(S160)는, 제 1 지표에 대한 기초조건 만족 여부를 판단하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제 1 지표는 상기 S150단계에서 측정된 압축기 입구온도로 이해할 수 있다.
상기 난방모드에서, 착상이 성장(또는 진행)함에 따라 상기 실외 열교환기(45)를 통과한 냉매의 온도는 떨어질 수 있다. 즉, 압축기(100)의 입구에서 냉매의 온도도 착상이 성장함에 따라 떨어질 수 있다.(도 15 참고)
따라서, 상기 압축기 입구온도는 착상 판단 여부를 정밀하게 판단할 수 있는 판단인자로 이용할 수 있다.
상기 S160단계에서, 상기 히트펌프(1)는 난방모드로 운전하는 초기기동 시간인 제 1 운전시간의 경과 여부를 판단할 수 있다.(S1611)
상기 제 1 운전시간은 오버슈트(Overshoot)를 회피하기 위해 난방모드의 최소 연속운전시간으로 규정할 수 있다.
여기서, 상기 최소 연속운전시간의 최소는 보수적인 범위를 의미하는 것으로써, 해당 시간의 경과가 착상 발생의 조건이 되는 것을 의미한다.
즉, 상기 제 1 운전시간을 경과하면, 상기 실외 열교환기(45)에서는, 특정한 실외온도와 이에 대응하는 압축기 입구온도에서 착상이 발생할 수 있다.
따라서, 상기 제 1 운전시간을 경과하면, 상기 특정한 실외온도와 이에 대응하는 압축기 입구온도를 판단기준(“제 1 판단기준”)으로 착상 여부(또는 “착상 발생 여부”라 이름한다.)를 판단할 수 있다.
즉, 상기 제 1 운전시간은, 특정한 실외온도와 이에 대응하는 압축기 입구온도에서 착상이 발생하는 난방모드의 최소 연속운전시간으로 규정할 수 있다. 일례로, 상기 제 1 운전시간은 10분 내지 15분으로 설정할 수 있다.
상기 메모리(310)에는 상기 제 1 운전시간에 대한 정보가 미리 저장될 수 있다.
상기 S130단계에서 상술한 바와 같이, 상기 제어부(300)는 상기 타이머(320)에 의해 난방모드로 운전하는 시간을 감지할 수 있다.
그리고 상기 제어부(300)는 상기 타이머(320)의 감지정보를 기초로 상기 제 1 운전시간이 경과하였는지 판단할 수 있다.
상기 히트펌프(1)는 상기 제 1 운전시간이 경과된 것으로 판단되면, 제 2 운전시간의 경과 여부를 판단할 수 있다.(S1612)
상기 제 2 운전시간은, 착상이 발생하는 상기 특정한 실외온도와 이에 대응하는 압축기 입구온도를 보정하는 난방모드의 최소 연속운전시간으로 규정할 수 있다.
즉, 상기 제 2 운전시간은 상기 특정한 실외온도와 이에 대응하는 압축기 입구온도를 보정하는 기준 운전시간으로 이해할 수 있다.
상기 히트펌프(1)는 운전시간에 따라 실외 열교환기(45) 표면의 서리(얼음)의 밀도가 달라질 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는 상기 운전시간을 고려하여 제 1 운전시간, 제 2 운전시간 및 제 3 운전시간을 정의한다.
그리고 상기 제어부(300)는 각각의 운전시간에서 실외온도와 이에 대응하는 압축기 입구온도로 규정되는 판단기준을 감지된 압축기 입구온도와 비교하여 착상 발생 여부를 판단할 수 있다.
상기 제 2 운전시간은 상기 제 1 운전시간 보다 긴 최소 연속운전시간을 가질 수 있다. 일례로, 상기 제 2 운전시간은 30분으로 설정할 수 있다.
그리고 상기 제 2 운전시간이 경과하면, 상기 특정한 실외온도와 이에 대응하는 압축기 입구온도를 보정한 판단기준(“제 2 판단기준”)이 적용될 수 있다.
상기 메모리(310)에는 상기 제 2 운전시간에 대한 정보가 미리 저장될 수 있다.
상기 제어부(300)는 상기 타이머(320)의 감지정보를 기초로 상기 제 2 운전시간이 경과하였는지 판단할 수 있다.
상기 히트펌프(1)는 상기 제 2 운전시간이 경과하지 않은 것으로 판단되면, 상기 S150단계에서 측정된 제 1 지표가 미리 설정된 제 1 판단기준을 만족하는지 판단할 수 있다.(S1614)
즉, 상기 제어부(300)는 난방모드의 연속운전시간이 상기 제 1 운전시간과 상기 제 2 운전시간 사이로 판단된 경우, 상기 측정된 제 1 지표가 메모리(310)에 미리 저장된 제 1 판단기준을 만족하는지 판단할 수 있다.
상기 제 1 판단기준은, 실외온도에 따라 대응되는 압축기 입구온도의 범위로 규정될 수 있다.
상세히, 상기 제 1 판단기준은, 실외온도가 0°C 이상일 때 압축기 입구온도가 -20°C 이하, 실외온도가 -10°C 내지 0°C 사이일 때 압축기 입구온도가 -25°C 내지 -20°C, 실외온도가 -15°C 내지 -10°C 사이일 때 압축기 입구온도가 -35°C 내지 -25°C 및 실외온도가 -15°C 미만일 때 압축기 입구온도가 -35°C 이하로 정의할 수 있다.
일례로, S140단계에서 감지된 실외온도가 0°C 인 경우, 상기 제어부(300)는 상기 난방모드의 연속운전시간이 상기 제 1 운전시간과 상기 제 2 운전시간 사이일 때, 상기 측정된 제 1 지표가 -20°C 이하를 만족하는지 판단할 수 있다. 그리고 상기 제어부(300)는 상기 측정된 제 1 지표가 -20°C 이하라면, 상기 기초조건을 만족(S1618)한 것으로 판단할 수 있다.
한편, 상기 히트펌프(1)는 상기 제 2 운전시간이 경과한 것으로 판단되면, 제 3 운전시간의 경과 여부를 판단할 수 있다.(S1613)
상기 제 3 운전시간은 상기 특정한 실외온도와 이에 대응하는 압축기 입구온도를 보정한 판단기준(“제 2 판단기준”)을 더 넓은 범위로 보정하는 난방모드의 최소 연속운전시간으로 규정할 수 있다. 일례로, 상기 제 3 운전시간은 180분으로 설정할 수 있다.
상기 제 3 운전시간은 상기 제 2 운전시간 보다 긴 연속운전시간을 가질 수 있다. 따라서, 상기 제 3 운전시간은 긴급히 제상모드로 돌입할 수 있는 시간으로 이해할 수 있다.
그리고 상기 제 3 운전시간은 상기 특정한 실외온도와 이에 대응하는 압축기 입구온도를 가장 넓은 범위로 보정하는 기준 운전시간으로 이해할 수 있다.
즉, 상기 제 3 운전시간을 경과하면, 후술할 제 2 판단기준 보다 넓은 범위를 가지는 실외온도 및 이에 대응하는 압축기 입구온도에서 착상이 발생할 수 있다.
상기 메모리(310)에는 상기 제 3 운전시간에 대한 정보가 미리 저장될 수 있다.
상기 제어부(300)는 상기 타이머(320)의 감지정보를 기초로 상기 제 3 운전시간이 경과하였는지 판단할 수 있다.
상기 히트펌프(1)는 상기 제 3 운전시간이 경과하지 않은 것으로 판단되면, 상기 S150단계에서 측정된 제 1 지표가 미리 설정된 제 2 판단기준을 만족하는지 판단할 수 있다.(S1615)
즉, 상기 제어부(300)는 난방모드의 연속운전시간이 상기 제 2 운전시간과 상기 제 3 운전시간 사이로 판단된 경우, 상기 측정된 제 1 지표가 메모리(310)에 미리 저장된 제 2 판단기준을 만족하는지 판단할 수 있다.
상기 제 2 판단기준은, 실외온도에 따라 대응되는 압축기 입구온도의 범위로 규정될 수 있다.
상세히, 상기 제 2 판단기준은, 실외온도가 0°C 이상일 때 압축기 입구온도가 -15°C 이하, 실외온도가 -10°C 내지 0°C 사이일 때 압축기 입구온도가 -23°C 내지 -15°C 및 실외온도가 -20°C 내지 -10°C 사이일 때 압축기 입구온도가 -27°C 내지 -23°C로 정의할 수 있다.
일례로, S140단계에서 감지된 실외온도가 0°C 인 경우, 상기 제어부(300)는 상기 난방모드의 연속운전시간이 상기 제 2 운전시간과 상기 제 3 운전시간 사이일 때, 상기 측정된 제 1 지표가 -15°C 이하를 만족하는지 판단할 수 있다. 그리고 상기 제어부(300)는 상기 측정된 제 1 지표가 -15°C 이하라면, 상기 기초조건을 만족(S1618)한 것으로 판단할 수 있다.
한편, 상기 히트펌프(1)는 상기 제 3 운전시간이 경과한 것으로 판단되면, 상기 S140단계에서 감지된 실외온도가 미리 설정된 최저 기준온도와 미리 설정된 최고 기준온도 사이인지를 판단할 수 있다.(S1616)
일례로, 상기 최저 기준온도는 -40°C로 설정될 수 있다. 그리고 상기 최고 기준온도는 25°C로 설정될 수 있다.
즉, 상기 제어부(300)는 상기 S140단계에서 감지된 실외온도가 상기 최저 기준온도 이상 및 상기 최고 기준온도 이하의 범위에 속하는지를 판단할 수 있다.
상기 메모리(310)에는 상기 최저 기준온도 및 상기 최고 기준온도에 대한 정보가 미리 저장될 수 있다.
그리고 상기 감지된 실외온도가 상기 최저 기준온도와 상기 최고 기준온도 사이의 값을 가지는 것으로 판단되면, 상기 히트펌프(1)는 상기 측정된 제 1 지표가 미리 설정된 설계온도 이하인지를 판단할 수 있다.(S1617)
상기 설계온도는 -4°C로 설정될 수 있다. 그리고 상기 메모리(310)에는 상기 설계온도에 대한 정보가 미리 저장될 수 있다.
상기 히트펌프(1)는 상기 측정된 제 1 지표가 상기 설계온도 이하이면 기초조건을 만족한 것으로 판단할 수 있다.(S1618)
상세히. 난방모드의 연속운전시간이 제 3 운전시간을 경과하고, 상기 감지된 실외온도가 상기 최저 기준온도와 상기 최고 기준온도 사이의 값을 가지는 경우, 상기 제어부(300)는 상기 측정된 제 1 지표가 상기 설계온도 이하를 만족하면 기초조건을 만족한 것으로 판단할 수 있다,(S1618)
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 제 2 지표의 기초조건 만족 여부를 판단하기 위한 제어방법을 보여주는 플로우 차트이다.
도 11을 참조하면, 상기 지표별 기초조건 만족 여부를 판단하는 단계(S160)는, 제 2 지표에 대한 기초조건 만족 여부를 판단하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제 2 지표는 상기 S150단계에서 측정된 실외열교환기 출구압력의 변화량으로 이해할 수 있다.
상기 난방모드에서, 착상이 성장(또는 진행)함에 따라 상기 실외 열교환기(45)를 통과한 냉매의 압력은 떨어질 수 있다. 즉, 실외열교환센서(370)에서 감지되는 냉매의 압력은 착상이 성장함에 따라 떨어질 수 있다.(도 9 및 도 15 참고)
따라서, 상기 실외열교환기 출구압력의 변화량(△Pc)은, 착상 판단 여부를 정밀하게 판단할 수 있는 판단인자로 이용할 수 있다.
상기 S160단계에서, 상기 히트펌프(1)는 제 4 운전시간의 경과 여부를 판단할 수 있다.(S1641)
상기 제 4 운전시간은, 상기 실외열교환기 출구압력(Pc)을 지표로 착상이 발생할 수 있는 난방모드의 최소 연속운전시간으로 규정할 수 있다. 일례로, 상기 제 4 운전시간은 40분으로 설정할 수 있다.
상기 제 4 운전시간을 경과하면, 상기 실외 열교환기(45)에서는, 특정한 실외온도와 이에 대응하는 압축기 입구온도에서 착상이 발생할 수 있다.
따라서, 상기 제 4 운전시간을 경과하면, 상기 특정한 실외온도와 이에 대응하는 압축기 입구온도를 기준으로 착상 발생 여부를 판단할 수 있다.
상기 메모리(310)에는 상기 제 4 운전시간에 대한 정보가 미리 저장될 수 있다.
상기 S130단계에서 상술한 바와 같이, 상기 제어부(300)는 상기 타이머(320)에 의해 난방모드로 운전하는 시간을 감지할 수 있다.
그리고 상기 제어부(300)는 상기 타이머(320)의 감지정보를 기초로 상기 제 4 운전시간이 경과하였는지 판단할 수 있다.
상기 히트펌프(1)는 상기 제 4 운전시간이 경과한 것으로 판단되면, S140단계에서 감지된 실외온도가 미리 설정된 최저 기준온도와 미리 설정된 최고 기준온도 사이인지를 판단할 수 있다.(S1642)
상기 최저 기준온도 및 상기 최고 기준온도는, 상술한 제 1 지표의 최저 기준온도 및 최고 기준온도와 동일하게 설정할 수 있다. 일례로, 상기 최저 기준온도는 -40°C로 설정될 수 있다. 그리고 상기 최고 기준온도는 25°C로 설정될 수 있다.
즉, 상기 제어부(300)는 상기 S140단계에서 감지된 실외온도가 상기 최저 기준온도 이상 및 상기 최고 기준온도 이하의 범위에 속하는지를 판단할 수 있다.
그리고 상기 감지된 실외온도가 상기 최저 기준온도와 상기 최고 기준온도 사이의 값을 가지는 것으로 판단되면, 상기 히트펌프(1)는 상기 측정된 제 2 지표(△Pc)가 미리 설정된 설계압력을 초과하는지를 판단할 수 있다.(S1643)
상기 설계압력은 70 kPa로 설정될 수 있다. 상기 설계압력에 대한 설명은, 도 14 및 도 15를 참조하여 후술하도록 한다.
상기 메모리(310)에는 상기 설계압력에 대한 정보가 미리 저장될 수 있다.
그리고 상기 히트펌프(1)는 상기 측정된 제 2 지표(△Pc)가 상기 설계압력을 초과한 것으로 판단되면, 기초조건을 만족한 것으로 판단할 수 있다.(S1644)
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 제상모드의 제어방법을 보여주는 플로우 차트이다. 도 12를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 제상모드의 종료를 위한 제어방법을 설명한다.
상기 제상모드로 돌입(S200)하면, 상기 히트펌프(1)는 상기 압축기(100)의 회전수를 제어할 수 있다.(S210)
상세히, 상기 제어부(300)는 상기 압축기(100)의 회전수가 단계적으로 상승되도록 제어할 수 있다.
일례로, 상기 제어부(300)는 상기 제상모드 돌입 시점으로부터 5초 경과 후 3600 RPM으로 회전수를 상승시켜 1분간 운전할 수 있다. 그리고 상기 제어부(300)는 상기 1분 후 목표 회전수까지 상승시켜 정시제어를 수행할 수 있다.
또한, 상기 히트펌프(1)는 다수의 밸브 포지션을 제상모드에 맞추는 제 1 밸브제어를 수행할 수 있다.(S220)
상세히, 상기 제어부(300)는 난방모드에서 다수의 밸브 포지션을 제상모드에 맞춰지도록 제어할 수 있다. 일례로, 상기 제어부(200)는 냉매 유동 방향이 전환되도록 사방밸브(110)를 제어하고, 상기 실외 팽창밸브(151), 폐열 팽창밸브(161), 상기 쿨러 팽창밸브(156) 및 상기 칠러밸브(164)가 폐쇄되도록 제어하며, 상기 실내 팽창밸브(135)를 개방하도록 제어할 수 있다.
여기서, 상기 제어부(300)는 상기 실내 팽창밸브(135)의 개도를 단계적으로 개방되도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 히트펌프(1)는 실내의 난방을 유지시키기 위해 객실 히터기(60)를 작동(ON)시킬 수 있다.(S230)
상세히, 상기 제어부(300)는 상기 객실 히터기(60)가 작동하도록 상기 히터펌프(61)를 작동시켜 냉각수가 상기 히터(63)를 순환하도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 히트펌프(1)는 서리와 압축냉매 간의 열전달 효과를 극대화하기 위해 실외팬(46)을 오프(OFF)시킬 수 있다.
상술한 바와 같이 상기 실외팬(46)의 작동에 의한 대류 열전달을 회피하기 위해서, 상기 제어부(300)는 상기 실외팬(46)이 오프(OFF)되도록 제어할 수 있다.
상기한 S210 내지 S240 단계에 의하면, 상기 실외 열교환기(45)의 표면에 부착된 서리들이 제거되는 제상이 수행될 수 있다.
그리고 상기 히트펌프(1)는 냉매의 응축온도를 측정하여 제상종료조건을 만족하는지 판단할 수 있다.(S260)
상세히. 상기 냉매감지센서(PT)는 상기 실외배관(115)에 설치되는 응축온도센서(미도시)를 더 포함할 수 있다.
상기 응축온도센서는, 상기 실외열교환센서(370)와 반대 측에 설치될 수 있다. 그리고 상기 응축온도센서는 제상모드에서 상기 실외 열교환기(45)를 통과하는 냉매의 온도를 감지하여 상기 제어부(300)로 제공할 수 있다.
즉, 상기 제어부(300)는 상기 응축온도센서로부터 제공받는 감지정보를 기초로 상기 냉매의 응축온도를 측정할 수 있다.
상기 제상종료조건은 상기 응축온도를 기준으로 설정될 수 있다. 그리고 상기 메모리(310)에는 상기 제상종료조건이 미리 저장될 수 있다.
일례로, 상기 제상종료조건은 응축온도가 40°C를 초과하는 경우 만족하는 것으로 규정할 수 있다. 즉, 상기 제어부(300)는 상기 측정된 응축온도가 40°C 를 초과하는 것으로 판단되면 제상모드를 즉시 종료하도록 제어할 수 있다.
또 다른 예로, 상기 제상종료조건은 응축온도가 15°C를 초과하는 경우 만족하는 것으로 규정할 수 있다. 다만, 이 경우에 상기 제상모드를 30초간 유지한 후 제상모드를 종료하도록 규정할 수 있다. 즉, 상기 제어부(300)는 상기 측정된 응축온도가 15°C를 초과하는 것으로 판단되면 제상모드를 30초간 더 유지한 후 종료하도록 제어할 수 있다. 상기 제상종료조건에서 응축온도를 낮추면 상기 제상모드 유지시간은 증가할 수 있다.
그리고 상기 히트펌프(1)는 상기 측정된 응축온도가 상기 제상종료조건을 만족한 것으로 판단하면, 상기 제상모드를 종료하고 상기 난방모드로 운전하기 위한 난방운전 전환단계(S300)를 수행할 수 있다.
즉, 상기 제어부(300)는 상기 제상종료조건을 만족하면 상기 제상모드를 종료하고 상기 난방모드로 전환되도록 밸브 포지션을 제어할 수 있다.
한편, 상기 히트펌프(1)는 상기 측정된 응축온도가 상기 제상종료조건을 만족하지 못하는 것으로 판단되면, 미리 설정된 최대 제상모드 운전시간의 경과 여부를 판단할 수 있다.(S270)
상기 최대 제상모드 운전시간은, 성능계수(COP)가 급격히 떨어지는 시점을 기준으로 설정할 수 있다. 일례로, 상기 최대 제상모드 운전시간은 7분으로 설정될 수 있다. 상기 메모리(310)에는 상기 최대 제상모드 운전시간에 대한 정보가 미리 저장될 수 있다.
따라서, 상기 최대 제상모드 운전시간을 초과하는 운전은 상기 히트펌프(1)의 성능에 악영향을 주기 때문에 상기 히트펌프(1)는 최대 제상모드 운전시간이 경과한 것으로 판단되면 제상모드를 종료할 수 있다.
즉, 상기 제어부(300)는 상기 최대 제상모드 운전시간이 경과한 것으로 판단되면 제상모드를 종료하고 난방운전 전환단계(S300)를 수행할 수 있다.
도 13은 도 12의 난방운전 전환단계(S300)를 상세히 보여주는 플로우 차트이다. 도 13을 참조하여, 프래쉬 포깅(fresh fogging)을 방지하기 위한 제어방법을 설명한다.
상술한 바와 같이, 제습모드에서 난방모드로 급격한 전환시 서리가 녹아 발생된 응축수가 갑자기 증발하여 실내 전면 유리창에 성에를 발생시키는 프래쉬 포깅(fresh fogging) 현상이 일어날 수 있다. 따라서, 상기 프래쉬 포깅은 운전자의 시야를 방해하여 안전성을 떨어뜨리는 문제가 있다.
이를 방지하기 위하여, 상기 난방운전 전환단계(S300)는 압축기(100)를 오프(OFF)시키는 단계를 포함할 수 있다.(S310)
상세히, 상기 제어부(300)는 난방모드로 전환하기 위해 압축기(100)의 기동을 초기화하도록 상기 압축기(100)를 오프시킬 수 있다.
그리고 상기 압축기(100)의 오프는 후술할 구동지연시간을 따라 유지될 수 있다. 즉, 상기 압축기(100)의 작동은 구동지연시간만큼 지연(delay)될 수 있다.
또한, 상기 난방운전 전환단계(S300)는 제 2 밸브제어단계를 더 포함할 수 있다. (S320)
상세히, 상기 제어부(300)는 난방모드의 초기기동을 위하여 상기 실외 팽창밸브(118)의 폐쇄를 유지하고, 실내 팽창밸브(135)의 개도를 단계적으로 감소시키는 제 2 밸브제어를 수행할 수 있다.
상기 제 2 밸브제어는, 상기 실내 팽창밸브(135)가 완전히 폐쇄될 때, 실외 팽창밸브(118)를 개방시킬 수 있다.
이에 의하면, 상기 제상모드에서 상기 난방모드로 급작스러운 밸브 포지션 전환을 방지할 수 있다.
또한, 상기 난방운전 전환단계(S300)는 객실 히터기 오프(OFF) 단계를 더 포함할 수 있다.(S330)
상세히, 상기 제어부(300)는 제상모드에서 실내 난방 유지를 위해 작동시킨 객실 히터기(60)를 오프(OFF)시킬 수 있다. 이에 의하면, 불필요한 전력소모를 방지할 수 있다.
또한, 상기 난방운전 전환단계(S300)는 실외팬 온(ON) 단계를 더 포함할 수 있다.(S340)
상세히, 상기 제어부(300)는 효과적인 제상을 위하여 오프(OFF)시켰던 실외팬(46)을 다시 작동(ON)시킬 수 있다.
또한, 상기 난방운전 전환단계(S300)는 프래쉬 포깅 조건판단 단계를 더 포함할 수 있다.(S350)
상기 메모리(310)에는 상기 프래쉬 포깅 조건이 미리 저장될 수 있다.
상기 프래쉬 포깅 조건은, 상기 실외온도센서(330)로부터 감지된 실외온도를 기초로 판단할 수 있다. 일례로, 상기 프래쉬 포깅 조건은, 5°C를 기준 온도조건으로 설정할 수 있다.
그리고 상기 난방운전 전환단계(S300)는 상기 프래쉬 포깅 조건을 따라 압축기의 구동지연시간을 결정하는 구동지연시간 결정단계를 더 포함할 수 있다.(S360)
상기 메모리(310)에는 프래쉬 포깅 조건에 따른 구동지연시간이 미리 저장될 수 있다.
상세히, 상기 제어부(300)는 상기 감지된 실외온도가 5°C 보다 큰 경우, 상기 구동지연시간을 10분으로 결정할 수 있다. 따라서, 상기 제어부(300)는 상기 압축기(100)의 오프(OFF)상태를 10분간 유지할 수 있다.
또한, 상기 제어부(300)는 상기 감지된 실외온도가 5°C 보다 작은 경우, 상기 구동지연시간을 1분을 결정할 수 있다. 따라서, 상기 제어부(300)는 상기 압축기(100)의 오프(OFF)상태를 1분간 유지할 수 있다.
상기 구동지연시간에 의하면, 제상모드에서 난방모드로 전환하는 시간을 지연시킬 수 있으므로 상기 프래쉬 포깅을 방지할 수 있다.
그리고 상기 난방운전 전환단계(S300)는 상기 결정된 구동지연시간의 경과 여부를 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.(S370)
상기 제어부(300)는 상기 타이머(320)를 통해 전달되는 시간 감지정보를 이용하여 상기 결정된 구동지연시간의 경과 여부를 판단할 수 있다.
그리고 상기 제어부(300)는 상기 결정된 구동지연시간이 경과한 것으로 판단되면 상기 난방모드로 운전을 시작할 수 있다.(S380)
즉, 상기 제어부(300)는 난방모드에 맞춰 모든 밸브 포지션를 제어하고, 상기 구동지연시간이 경과하면 상기 압축기(100)를 기동(ON)시켜 난방모드로 운전을 시작할 수 있다. 일례로, 상기 제어부(300)는 상기 결정된 구동시간이 경과하면 상술한 S10단계로 복귀할 수 있다.
따라서, 상기 히트펌프(1)의 운전이 급작스럽게 제상모드에서 난방모드로 전환되지 않기 때문에 상기 프래쉬 포깅을 방지하고 전기자동차의 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템의 착상에 의한 난방능력 변화를 보여주는 실험 그래프이며, 도 15는 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 히트펌프 시스템의 착상에 의한 증발기 출구압력(Pevapout) 변화를 보여주는 실험 그래프이다.
도 14를 참조하면, 상기 히트펌프(1)는 난방모드로 운전을 시작한 직후부터 난방능력(Heating Capa.)이 지속적으로 상승하다가 최고점을 찍는 약 1200(sec)부터 착상 발생과 착상 성장으로 인하여 감소하기 시작한다.
상기 도 14에서 점선은 난방모드로 운전되는 압축기(100)의 동력(Comp.power)을 보여준다.
도 14 및 도 15를 참조하면, 상기 난방능력(Heating Capa.)이 최고점일 때인 약 1200(sec)에서 실외열교환센서(370)에 의해 감지되는 증발기 출구압력(Pevapout)은 약 188 kPa로 일정하게 유지 이후, 상기 난방능력의 감소와 함께 감소되는 것을 확인할 수 있다.
그리고 상기 난방능력의 감소 기울기가 완화되는 시점(약 2700 sec)에서부터 상기 증발기 출구압력(Pevapout)은 약 114 kPa로 일정하게 유지되는 것을 확인할 수 있다.
상기 감소 기울기가 완화되는 시점은, 상기 착상 성장이 최대치로 진행된 경우로 이해할 수 있다.
따라서, 도 11에서 상술한 제 2 지표의 설계압력은, 상기 난방능력이 최고점일 때 증발기 출구압력(Pevapout)과, 상기 난방능력의 감소 기울기 완화시점에서 증발기 출구압력(Pevapout)의 차인 60 내지 80kPa로 설정될 수 있다. 즉, 상기 제 2 지표의 설계압력은, 바람직하게 70kPa로 설정할 수 있다.
따라서, 상기 제 2 지표가 설계압력 보다 크다면, 착상 발생 가능성이 매우 높은 것으로 착상 판단에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 도 15를 참조하면, 상기 착상의 영향으로 증발기 출구압력(Pevapout)의 변화를 따라 압축기(100)의 흡입온도(Ts)와 흡입압력(Ps)도 유사한 그래프 경향을 가지는 것을 알 수 있다.
따라서, 압축기(100)의 토출온도(Td)를 일정 범위 내로 유지하기 위해 압축기(100)의 일은 상기 착상이 발생한 경우 더욱 증가하게 되어 전력소모가 증가할 수 있다. 결국, 정확한 착상 판단 및 제상모드 운전은 전력소모를 최소화하여 배터리(20)의 1회 충전 당 전기자동차의 주행거리를 향상시킬 수 있다.
한편, 도 14 및 도 15는, 실외온도를 -5°C 내지 2°C로 설정한 실험조건을 기준으로 한다.
1: 전기자동차용 히트펌프 시스템
10: 파워트레인모듈
20: 배터리
30: 실내 열교환모듈
40: 실외 열교환모듈
100: 압축기
200: 보조열교환기

Claims (27)

  1. 파워트레인모듈 및 배터리에 냉각수가 순환하는 냉각수라인;
    압축기, 실내 열교환기, 실외 열교환기, 실내 팽창밸브 및 실외 팽창밸브로 냉매가 순환하는 냉매라인;
    상기 실외 열교환기에 송풍을 제공하는 실외팬;
    상기 냉각수라인에 설치되며, 상기 파워트레인 모듈 또는 상기 배터리를 순환하는 냉각수의 온도를 감지하는 냉각수온도센서;
    상기 실외 열교환기의 일측에 설치되며, 상기 실외 열교환기를 통과한 냉매의 압력으로 규정되는 실외열교환기 출구압력을 감지하는 실외열교환센서;
    상기 압축기의 흡입측에 설치되며, 상기 압축기로 유입되는 냉매의 온도로 규정되는 압축기 입구온도를 감지하는 압축기입구센서; 및
    상기 냉각수온도센서, 상기 실외열교환센서 및 상기 압축기입구센서로부터 감지된 정보를 기초로, 제상모드로 운전하기 위한 착상 발생 여부를 판단하는 제어부를 포함하는 전기자동차용 히트펌프 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 압축기 입구온도와 상기 실외열교환기 출구압력을 판단인자로 착상 발생 여부를 판단하는 전기자동차용 히트펌프 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    사용자 설정온도를 입력하는 실내 컨트롤러;
    실외온도를 감지하는 실외온도센서; 및
    실내온도를 감지하는 실내온도센서를 더 포함하는 전기자동차용 히트펌프 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    전기자동차의 내부로 입사되는 일사량을 측정하는 일사량감지센서; 및
    재실인원을 감지하는 인체감지센서를 더 포함하는 전기자동차용 히트펌프 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 사용자 설정온도, 상기 실외온도, 상기 실내온도, 상기 일사량 및 상기 재실인원을 기초로 실내로 토출되는 공기의 온도로 규정되는 목표온도를 계산하는 전기자동차용 히트펌프 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 계산된 목표온도와 상기 실외온도를 기초로 상기 사용자 설정온도로 실내온도를 도달시키기 위한 운전모드를 결정하는 전기자동차용 히트펌프 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 파워트레인모듈을 순환하는 냉각수라인과 상기 실외 팽창밸브가 설치된 냉매라인이 열교환되도록 구비되는 파워트레인칠러를 더 포함하는 전기자동차용 히트펌프 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 냉각수의 온도가 상기 냉각수의 점성력이 급변하는 시점으로 규정되는 냉각수 기준온도 보다 큰 경우, 상기 실외 팽창밸브를 폐쇄하고, 상기 파워트레인칠러가 증발기로 작동하는 폐열회수모드로 운전을 제어하는 전기자동차용 히트펌프 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 냉각수의 온도가 상기 냉각수 기준온도 보다 작은 경우, 상기 실외 열교환기가 증발기로 작동하는 난방모드로 운전을 제어하는 전기자동차용 히트펌프 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    이전 운행 기록이 저장되는 메모리; 및
    상기 난방모드 및 상기 제상모드의 운전 시간을 감지하는 타이머를 더 포함하는 전기자동차용 히트펌프 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 메모리로부터 직전의 운행 종료시점에서 제상모드의 수행여부를 판단하는 전기자동차용 히트펌프 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 직전의 운행 종료시점에서 제상모드가 수행된 경우, 상기 착상 발생 여부를 판단하기 위한 조건에서 상기 타이머로부터 감지된 난방모드 운전시간 정보를 제외하는 전기자동차용 히트펌프 시스템.
  13. 제 2 항에 있어서,
    상기 판단인자는 난방모드의 연속운전시간, 실외온도 및 지속시간을 더 포함하는 전기자동차용 히트펌프 시스템.
  14. 냉각수의 온도가 상기 냉각수의 점성력이 급변하는 시점으로 규정되는 냉각수 기준온도를 비교하여 폐열회수 조건을 판단하는 단계;
    이전의 운행에서 제상모드로 운전 중 전기자동차의 시동 오프로 인한 상기 운전의 중단여부를 판단하는 단계;
    난방모드의 연속운전시간을 감지하는 단계;
    실외온도를 감지하는 단계; 및
    상기 연속운전시간과 상기 실외온도를 기초로, 실외 열교환기의 착상 발생 여부를 판단하는 제 1 지표와 제 2 지표를 측정하는 단계를 포함하는 전기자동차용 히트펌프 시스템의 제어방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 폐열회수 조건을 만족하면, 상기 실외 열교환기의 착상 발생 여부를 판단하지 않는 전기자동차용 히트펌프 시스템의 제어방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 냉각수의 온도가 상기 냉각수 기준온도 보다 크면, 전기자동차의 전장 부품에서 발생되는 열을 냉매 증발의 열원으로 이용하는 폐열회수모드로 운전되며,
    상기 냉각수의 온도가 상기 냉각수 기준온도 보다 작으면, 외기를 냉매 증발의 열원으로 이용하는 일반 난방모드로 운전되는 전기자동차용 히트펌프 시스템의 제어방법.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 운전의 중단여부를 판단하는 단계는,
    상기 운전의 중단이 있는 경우, 상기 연속운전시간을 감지하는 단계를 생략하는 전기자동차용 히트펌프 시스템의 제어방법.
  18. 제 14 항에 있어서.
    상기 측정된 제 1 지표와 제 2 지표가, 각각의 기초조건을 만족하는지 판단하는 단계;
    상기 제 1 지표 및 상기 제 2 지표 중 상기 기초조건을 만족한 적어도 어느 하나의 지표의 유지시간이 지속시간조건을 만족하는지 판단하는 단계; 및
    상기 지표의 유지시간이 상기 지속시간조건을 만족하는 경우 착상이 발생한 것으로 판단하고 제상모드 운전을 수행하는 단계를 포함하는 전기자동차용 히트펌프 시스템의 제어방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 1 지표는 압축기로 흡입되는 냉매의 온도로 규정되는 압축기 입구온도를 포함하며,
    상기 제 1 지표의 기초조건은,
    난방모드의 최소 연속운전시간 조건, 실외온도 조건 및 상기 실외온도 조건에 대응하는 상기 압축기 입구온도의 조건을 포함하는 전기자동차용 히트펌프 시스템의 제어방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 난방모드의 최소 연속운전시간 조건은,
    초기 기동의 오버슈트를 회피하는 제 1 운전시간; 및
    상기 제 1 운전시간 경과 후 도달하며, 상기 실외온도 조건 및 상기 실외온도 조건에 대응하는 상기 압축기 입구온도의 조건을 보정하는 제 2 운전시간을 포함하는 전기자동차용 히트펌프 시스템의 제어방법.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 2 지표는 실외 열교환기를 통과한 냉매의 압력으로 규정되는 실외열교환기 출구압력을 포함하며,
    상기 제 2 지표의 기초조건은,
    난방모드의 최소 연속운전시간 조건, 실외온도 조건 및 상기 실외온도 조건에 대응하는 상기 실외열교환기 출구압력 조건을 포함하는 전기자동차용 히트펌프 시스템의 제어방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 실외열교환기 출구압력 조건은,
    상기 측정된 제 2 지표가 70 kPa 보다 큰 압력인지로 규정되는 전기자동차용 히트펌프 시스템의 제어방법.
  23. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 2 지표는, 실외열교환기의 출구압력 변화량으로 규정되며,
    상기 실외열교환기의 출구압력 변화량은,
    상기 실외 열교환기를 통과한 냉매의 압력에 대한 평균값(Pcavg)과, 미리 설정된 운전시간이 경과한 후 감지되는 상기 실외 열교환기를 통과한 냉매의 압력(Pc)의 차로 정의되는 전기자동차용 히트펌프 시스템의 제어방법.
  24. 제 18 항에 있어서,
    상기 제상모드 운전을 수행하는 단계는,
    압축기의 회전수를 단계적으로 상승시키도록 제어하는 단계;
    냉매의 유동 방향을 전환하도록 사방밸브를 제어하며, 실외 팽창밸브를 폐쇄하고, 실내 팽창밸브의 개도를 단계적으로 제어하는 제 1 밸브제어 단계; 및
    상기 실외 열교환기의 일측에 위치하는 실외팬을 오프시키는 단계를 포함하는 전기자동차용 히트펌프 시스템의 제어방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 실외 열교환기를 통과한 냉매의 응축온도를 측정하는 단계;
    상기 측정된 응축온도가 제상종료조건을 만족하는지 판단하는 단계; 및
    상기 제상종료조건이 만족되면 난방운전으로 전환하는 단계를 더 포함하는 전기자동차용 히트펌프 시스템의 제어방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 제상종료조건은, 상기 응축온도가 미리 설정된 온도 보다 높은 온도를 만족하는지로 규정되는 전기자동차용 히트펌프 시스템의 제어방법.
  27. 제 18 항에 있어서,
    상기 제상모드 운전을 수행하는 단계는,
    냉매의 응축온도를 기초로 규정되는 제상종료조건을 만족하면 난방모드로 다시 운전하도록 난방운전 전환단계를 포함하며,
    상기 난방운전 전환단계는,
    압축기를 오프(OFF)시키는 단계;
    실외온도를 기초로 규정되는 프래쉬 포깅 조건을 만족하는지 판단하는 단계;
    상기 프래쉬 포깅 조건을 만족하면, 상기 압축기의 오프 상태를 유지하는 구동지연시간을 결정하는 단계; 및
    상기 구동지연시간이 경과하면 압축기의 작동(ON)는 단계를 포함하는 전기자동차용 히트펌프 시스템의 제어방법.
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