KR20200132373A - 차량용 통합 열관리 시스템의 제어 방법 - Google Patents

차량용 통합 열관리 시스템의 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량용 통합 열관리 시스템의 밸브 제어 방법에 관한 것으로서, 차량용 통합 열관리 시스템의 밸브 제어 방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 차량 시동 후 엔진 냉각수온을 미리 정해진 제1 설정수온과 비교하는 제1 단계; 엔진 냉각수온이 제1 설정수온보다 높은 경우, 외기온을 설정외기온과 비교하고, 에어컨 냉매압을 설정압과 비교하는 제2 단계; 및 외기온이 설정외기온보다 높고, 에어컨 냉매압이 설정압보다 높은 경우, 에어컨 냉매압에 따라 통합유량제어밸브의 개폐작동을 제어하여, 상기 통합유량제어밸브를 통해 라디에이터로 공급되는 냉각수의 유량을 증가시키는 제3 단계를 포함하는 차량용 통합 열관리 시스템의 제어 방법이 개시된다.

Description

차량용 통합 열관리 시스템의 제어 방법{CONTROL METHOD FOR INTEGRATED THERAML MANAGEMENT SYSTEM OF VEHICLE}
본 발명은 차량용 통합 열관리 시스템의 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 에어컨 냉매압에 따른 냉각수 유량 제어가 이루어지도록 함으로써, 엔진 냉각수온 상승 및 냉매압 과다 상승을 효과적으로 방지할 수 있는 차량용 통합 열관리 시스템의 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 차량에서는 냉각수를 이용하여 엔진이 과열되거나 과냉되는 것을 방지하는데, 엔진 냉각을 위해서는 냉각수가 엔진과 라디에이터 사이를 순환하는 동안 엔진에서 흡수한 열을 라디에이터에서 방출하도록 해야 한다.
즉, 엔진에서 가열된 냉각수를 라디에이터에서 냉각하고, 라디에이터에서 냉각된 냉각수가 다시 엔진을 냉각하도록 하여, 엔진 온도를 최상의 엔진 출력을 얻을 수 있는 운전온도로 제어하게 된다.
이때, 엔진에서 배출되는 냉각수는 통합 열관리 시스템(ITM: Integrated Thermal Management system)의 통합밸브장치(이하 '통합유량제어밸브'라 칭함)를 통해 라디에이터로 전달될 수 있다.
최근 엔진의 열을 이용하여 냉간시에 엔진을 빨리 웜업(warm-up)시켜서 연비를 향상시키는 기술이 개발되어 적용되고 있다.
엔진에서 연소를 통해 얻어지는 실제 출력은 이론 열효율의 약 30% 수준인데, 이는 엔진에서 발생하는 손실 때문이며, 엔진에서 발생하는 주요 손실은 냉각손실, 배기손실, 미연손실, 기계적 마찰손실, 펌핑손실 등이 있다.
엔진의 열관리 제어는 냉간 시동시 엔진에서 발생하는 열을 최대한 엔진을 웜업시키는데 이용하는 것은 물론, 냉각수를 이용하여 엔진 온도를 최적의 운전온도로 제어함으로써, 차량 연비 및 엔진 출력을 향상시키고, 배출가스 저감 효과를 얻는 기술을 말한다.
이러한 엔진의 열관리 기술로는 전자식 써모스탯, 가변분리냉각, 통합유량제어밸브, 가변워터펌프, 유동개선 등을 이용하는 것이 알려져 있다.
또한, 최근의 차량에서는 엔진 냉각수를 이용함에 있어서 부품들 간의 효율적인 열관리를 위해 냉각수 유량 및 냉각 회로에 대한 통합적인 제어를 실시할 수 있도록 통합 열관리 시스템이 적용되고 있다.
차량의 통합 열관리 시스템은 통합유량제어밸브를 이용하여 냉각수 유동 방향 및 유량 등을 제어하여 엔진을 신속히 웜업하고, 최적 냉각수온 제어 등을 통해 통합 열관리 기능을 구현하기 위한 시스템이다.
이러한 통합 열관리 시스템은 엔진 냉각수와 변속기 오일 간의 열교환을 실시하거나, 배기열을 회수하여 실내 난방이나 주행 초기 엔진 웜업에 사용하기 위한 회로 구성을 포함하고, 냉각수 유량을 적절히 조절하기 위한 밸브들을 포함한다.
통합 열관리 시스템에서 통합유량제어밸브는 차량 운전상태에 따라 냉각수 유동을 제어하여 냉각수온을 최적 온도로 제어하기 위해 이용되는데, 예를 들어 통합유량제어밸브를 이용하여 저속 및 중속 운전시에는 냉각수온 상향 제어가 실시되고, 고속 및 고부하 운전시에는 냉각수온 하향 제어가 실시된다.
공지의 통합유량제어밸브는 1개의 입구포트와 3개의 출구포트를 가지며, 출구포트별로 냉각수 유량을 제어하도록 되어 있고, 이를 위해 DC 모터의 회전각도를 제어하여 각 포트의 밸브 개도를 제어한다.
이와 같이 통합유량제어밸브는 모터를 이용하는 밸브이므로 냉각수온의 정밀한 제어를 위해 모터의 하드웨어적인 포지션에 대한 정확한 정보가 필요하고, 이를 위해 포지션 센서를 구비한다.
즉, 포지션 센서의 검출정보에 기초하여 모터의 회전각도를 정확히 제어함으로써 출구포트별 냉각수 유량을 정밀하게 제어할 수 있는 것이며, 이를 통해 냉각수온의 정밀한 제어가 이루어질 수 있는 것이다.
한편, 통합유량제어밸브가 신속한 엔진 웜업 달성 및 배기열 회수 효과의 극대화, 최적 냉각수온의 제어 및 연비 극대화를 가능하게 하지만, 종래에는 외기온과 냉각수온만을 변수로 하여 통합유량제어밸브를 제어하므로 운전자 요구에 의한 실내 냉방시 효율적인 제어가 불가한 문제점을 가지고 있다.
좀 더 설명하면, 운전자 요구에 의한 냉방시의 공조 제어에서는 요구되는 냉방부하를 충족시키기 위해 컴프레서를 작동시키며, 이에 냉방부하가 클수록 에어컨 냉매압이 더 높게 상승할 수 있다.
적절한 냉매압을 유지할 경우 효율적인 냉기 생성이 가능하지만, 엔진 냉각수온이 상승할 경우 라디에이터에 근접 배치된 에어컨 컨덴서에서의 냉각성능이 부족해지면서 에어컨 냉매압도 함께 상승한다.
이와 같이 에어컨 냉매압이 냉각수온 및 라디에이터의 온도와도 관계가 있지만, 종래 기술에 따르면 냉매압의 과도한 상승을 방지하기 위한 열관리 제어 기술이 부재한 상태이다.
예를 들면, 외기온이 높은 여름에 운전자가 차량에서 공조목표온도를 설정하여 냉방이 이루어지고 있을 때, 등판 주행시나 토잉, 전장부하 증대 등으로 인해 차량에서의 요구 토크가 커지면, 엔진 냉각수온이 상승하고, 이때 동일 차속 및 동일 냉방부하 상황임에도 엔진 냉각수온 상승으로 인해 에어컨 냉매압이 동반 상승한다.
엔진 냉각수온이 상승할 경우 라디에이터 온도가 상승하여 에어컨 컨덴서에서의 냉각효율 및 냉각성능이 저하되고, 그로 인해 에어컨 냉매압이 상승하여 차량의 실내 냉방효율 및 냉방성능이 저하될 수 있다.
이에 에어컨의 냉매압이 일정 수준 이상으로 상승한 경우 냉방부하가 높은 상황으로 인지하여 엔진 냉각수온이 상승하는 것을 사전에 방지할 수 있는 제어 기술이 필요하다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 냉매압을 제어변수로 반영하여 에어컨 냉매압에 따른 냉각수 유동 제어가 이루어지도록 함으로써, 엔진 냉각수온 상승 및 냉매압 과다 상승을 방지하고, 컨덴서에서의 냉각효율 및 냉각성능(응축성능)의 향상, 차량의 냉방성능 및 상품성 향상을 달성할 수 있는 통합 열관리 시스템의 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따르면, 차량 시동 후 엔진 냉각수온을 미리 정해진 제1 설정수온과 비교하는 제1 단계; 엔진 냉각수온이 제1 설정수온보다 높은 경우, 외기온을 설정외기온과 비교하고, 에어컨 냉매압을 설정압과 비교하는 제2 단계; 및 외기온이 설정외기온보다 높고, 에어컨 냉매압이 설정압보다 높은 경우, 에어컨 냉매압에 따라 통합유량제어밸브의 개폐작동을 제어하여, 상기 통합유량제어밸브를 통해 라디에이터로 공급되는 냉각수의 유량을 증가시키는 제3 단계를 포함하는 차량용 통합 열관리 시스템의 제어 방법을 제공한다.
그리고, 바람직한 실시예에 따른 차량용 통합 열관리 시스템의 제어 방법에 있어서, 상기 제2 단계에서 공조블로어가 구동하고 있는 공조블로어 온(on) 상태인지를 판단하고, 외기온이 설정외기온보다 높고, 에어컨 냉매압이 설정압보다 높으며, 공조블로어 온 상태인 경우, 상기 제3 단계에서 에어컨 냉매압에 따라 통합유량제어밸브의 개폐작동을 제어하도록 구성될 수 있다.
또한, 바람직한 실시예에 따른 차량용 통합 열관리 시스템의 제어 방법은, 외기온이 설정외기온보다 높은 조건, 에어컨 냉매압이 설정압보다 높은 조건, 공조블로어가 온 상태인 조건 중 어느 하나라도 만족하지 않는 경우, 엔진 냉각수온에 따라 통합유량제어밸브의 개폐작동을 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 엔진 냉각수온에 따라 통합유량제어밸브의 개폐작동을 제어하는 단계에서, 엔진 냉각수온이 제2 설정수온보다 높고 제3 설정수온보다 낮은 경우('제1 설정수온 < 제2 설정수온 < 제3 설정수온'임), 변속기 오일과의 열교환이 이루어지는 ATF 워머로 냉각수가 공급되도록 통합유량제어밸브의 개폐작동을 제어하고, 엔진 냉각수온에 따라 ATF 워머로 공급되는 냉각수의 유량을 제어하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 엔진 냉각수온에 따라 통합유량제어밸브의 개폐작동을 제어하는 단계에서, 엔진 냉각수온이 제4 설정수온보다 높고 제5 설정수온보다 낮은 경우('제1 설정수온 < 제2 설정수온 < 제3 설정수온 < 제4 설정수온 < 제5 설정수온'임), 엔진 냉각수온이 엔진 운전점 운전을 위한 목표 냉각수온을 추종하도록 하기 위한 통합유량제어밸브의 개폐작동 제어가 수행되도록 할 수 있다.
또한, 상기 엔진 냉각수온에 따라 통합유량제어밸브의 개폐작동을 제어하는 단계에서, 엔진 냉각수온이 상기 제5 설정온도 이상인 경우, 냉각수가 라디에이터로 공급될 수 있도록 통합유량제어밸브의 개폐작동을 제어하고, 엔진 냉각수온에 따라 라디에이터로 공급되는 냉각수의 유량을 제어하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 제3 단계에서 에어컨 냉매압에 높을수록 통합유량제어밸브의 개도량을 더 크게 제어하여 라디에이터로 공급되는 냉각수의 유량을 더 증가시키도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 제1 단계에서, 엔진 냉각수온이 제1 설정수온 이하인 경우, 냉각수가 배기열회수장치로 공급되도록 통합유량제어밸브의 개폐작동을 제어하여, 냉각수가 배기열회수장치에서 배기가스와의 열교환에 의해 가열된 뒤 엔진으로 공급되어 엔진 웜업이 이루어지도록 할 수 있다.
이로써, 본 발명에 따른 차량용 통합 열관리 시스템의 제어 방법에서는 외기온이 일정 수준 이상일 때 운전자가 설정한 공조목표온도보다 실내온이 높아 실내 냉방이 필요한 경우이면(공조블로어 온(on) 상태임), 에어컨 냉매압에 따른 통합 열관리 제어 모드로 진입하여 컨덴서 응축성능 저하 및 냉매압 상승을 방지하게 된다.
이로써, 본 발명에 따른 통합 열관리 시스템의 제어 방법에 의하면, 과도한 냉매압 상승이 방지될 수 있으므로 차량의 냉방성능 및 상품성이 향상될 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 통합 열관리 시스템의 제어 방법에 의하면, 냉방부하가 큰 상황에서 엔진 냉각수 및 에어컨 냉매압을 효율적으로 관리할 수 있게 되고, 에어컨 컴프레서의 소모 에너지 감소 및 차량 실도로 연비 향상의 효과가 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 제어 방법을 적용할 수 있는 통합 열관리 시스템의 예를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 제어 방법이 적용되는 차량에서 에어컨 시스템의 구성을 예시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 통합 열관리 시스템의 제어 과정을 수행하는 장치 구성을 나타내는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 통합 열관리 시스템의 제어 과정을 나타내는 순서도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
통상의 차량에서 라디에이터와 에어컨 컨덴서가 근접 배치됨에 따라 라디에이터를 통과하는 엔진 냉각수온이 상승할 경우 라디에이터의 온도가 상승하여, 근접 배치된 에어컨 컨덴서에서의 냉각효율과 냉각성능(응축성능)이 저하되고, 그로 인해 에어컨 컨덴서를 통과하는 냉매의 압력, 즉 에어컨 냉매압도 상승하여 차량의 실내 냉방효율 및 냉방성능이 저하된다.
하나의 예를 들면, 여름에 외기온이 41℃ ~ 45℃로 높은 상태일 때, 운전자가 공조목표온도를 17℃로 설정한 상태로 차량이 시속 100km/hr로 주행하다가, 동일 차속(100km/hr) 및 동일 냉방부하 상황(외기온 41℃ ~ 45℃, 공조목표온도 17℃)에서, 등판로 주행이나 토잉(tawing), 그 밖의 전장부하 증대 등으로 인해 차량에서의 요구 토크가 80Nm에서 160Nm로 높아지면, 엔진 냉각수온이 80℃에서 105℃로 상승할 수 있고, 이때 엔진 냉각수온 상승으로 인해 에어컨 냉매압이 200psi에서 220psi로 상승할 수 있다.
이때, 공지의 차량용 통합 열관리 시스템(ITM)에서는 엔진 냉각수온이 설정온도 이상인 조건에서 통합유량제어밸브를 냉각우선모드로 제어한다.
그러나, 상기 설정온도가 110℃라면, 엔진 냉각수온이 110℃ 이상인 조건에서 통합유량제어밸브의 제어가 냉각우선모드로 진입하지만, 위의 예에서는 엔진 냉각수온이 105℃이므로 설정온도에 미달하여 냉각우선모드로 변경되지 않으며, 결국 에어컨 냉매압 상승으로 인한 냉방효율 및 냉방성능 저하의 문제점이 나타나게 된다.
통상의 차량에서 엔진 냉각수온이 95℃ ~ 105℃인 영역은 엔진 효율 최적 제어 구간으로서, 상기의 예와 같이 엔진 냉각수온이 105℃로 상승하였을 때 냉매압이 과다 상승하였음에도 냉각우선모드의 진입 조건을 만족하지 못하여 냉매압을 낮추기 위한 냉각우선모드가 수행되지 않는다.
종래에는 컨덴서 냉각성능을 증대시키기 위해 컨덴서의 크기를 증가시키는 등 하드웨어 개선에만 의존하였으나, 하드웨어 개선만으로는 컨덴서 냉각성능을 증대시키는데 한계가 있다.
이에 따라, 상기한 문제점을 해결하기 위해, 냉방부하로 인해 냉매압이 일정 수준 이상으로 상승한 경우 엔진 냉각수온을 낮추어 에어컨 컨덴서에서의 냉각효율 및 냉각성능(응축성능)을 증대시키고, 이를 통해 냉매압을 적정 수준으로 유지할 수 있는 차량용 통합 열관리 시스템의 제어 방법이 개시된다.
여기서, 차량은 엔진과 모터로 구동하는 하이브리드 차량이 될 수 있다.
본 발명에서는 외기온과 냉매압이 일정 수준 이상일 때 통합 열관리 시스템(ITM)의 제어 모드를 냉각우선모드로 변경하여 라디에이터로 유입되는 냉각수 유량을 증대시키고, 이를 통해 엔진 냉각수온 상승 및 냉매압 과다 상승을 방지하게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 제어 방법을 적용할 수 있는 통합 열관리 시스템의 예를 도시한 것이다.
도시된 바와 같이, 통합 열관리 시스템은 차량에서 엔진 및 변속기 온도 제어와 차량 실내 공조 등을 위한 부품들에 냉각수를 공급 및 분배하고 각 부품에서 필요로 하는 냉각수와 타 매체(오일 또는 공기) 간 열교환이 이루어질 수 있도록 냉각수 유동을 적절히 제어하는 통합유량제어밸브(110)를 포함한다.
통합유량제어밸브(110)는 메인바디(111)에 연결된 1개의 입구포트와 3개의 출구포트를 포함할 수 있고, 상기 각 출구포트에는 밸브(112,113,114)가 하나씩 설치될 수 있다.
구체적으로, 워터펌프(127)에 의해 송출되어 엔진의 실린더 블록(128)과 실린더 헤드(129)를 통과한 냉각수는 냉각수라인을 통해 직접 또는 EGR(Exhaust Gas Recirculation) 쿨러(130)를 거쳐 통합유량제어밸브(110)의 입구포트로 유입될 수 있다.
또한, 통합유량제밸브(110)의 각 출구포트에는 냉각수라인을 통해 배기열회수장치(EHR:Exhaust Heat Recovery system)(122), ATF 워머(ATF Wamer)(124), 라디에이터(Radiator)(126)가 연결된다.
이 중에서 배기열회수장치(EHR)(122)는 통합유량제어밸브(110)의 배기열회수밸브(제2 밸브)(113)에 냉각수라인을 통해 연결되고, 상기 배기열회수밸브(113)를 통과한 냉각수는 전동워터펌프(AEWP)(121)에 의해 배기열회수장치(122)로 압송된 뒤 배기열회수장치(122)에서 배기가스와 열교환을 한다.
또한, 배기열회수장치(122)는 후단에 배치된 히터코어(123)와 냉각수라인을 통해 연결되는데, 이에 배기열회수장치(122)에서 배기열에 의해 가열된 냉각수가 히터코어(123)로 공급될 수 있다.
결국, 냉각수가 히터코어(123)를 통과하는 동안 공기와 열교환하여 공기를 가열시키고, 이렇게 가열된 공기가 차량 실내로 토출됨으로써 실내 난방이 이루어지게 된다.
한편, ATF 워머(124) 및 오일 워머(Oil Warmer)(125)가 냉각수라인을 통해 통합유량제어밸브(110)의 ATF 워머 밸브(제3 밸브)(114)에 연결된다.
이에 ATF 워머 밸브(114)가 개방되면 냉각수가 통합유량제어밸브(110)로부터 냉각수라인을 통해 ATF 워머(124) 및 오일 워머(Oil Warmer)(125)로 흐를 수 있고, 이들 워머(124,125)를 차례로 통과하는 동안 냉각수와 변속기 오일 간의 열교환이 이루어지게 된다.
또한, 통합유량제어밸브(110)의 라디에이터 밸브(제1 밸브)(112)가 냉각수라인을 통해 라디에이터(126)에 연결되고, 따라서 라디에이터 밸브(112)를 개방시키면 냉각수가 냉각수라인을 통해 라디에이터(126)로 공급될 수 있다.
이에 따라, 라디에이터(126)에서 냉각수와 외부 공기 간 열교환에 의해 냉각수의 열을 외부로 방출할 수 있고, 결국 라디에이터(126)에서 냉각된 냉각수는 워터펌프(127)에 의해 다시 엔진의 실린더블록(128)으로 송출된다.
이로써, 도 1과 같은 통합 열관리 시스템에서는 차량 운전상태에 따라 통합유량제어밸브(110)의 각 출구포트에 설치된 밸브(112,113,114)들을 제어하여 각 부품에 공급되는 냉각수의 유량을 제어할 수 있게 된다.
즉, 차량 운전상태에 따라 라디에이터 밸브(112)인 제1 밸브, 배기열회수밸브(113)인 제2 밸브, 그리고 ATF 워머 밸브(114)인 제3 밸브의 개폐작동을 적절히 제어해줌으로써, 차량에서의 최적 열관리 제어가 수행될 수 있는 것이다.
다음으로, 도 2는 본 발명에 따른 제어 방법이 적용되는 차량에서 에어컨 시스템의 구성을 예시한 도면으로, 도시된 에어컨 시스템의 구성은 공지된 구성과 비교하여 차이가 없다.
즉, 에어컨 시스템은 크게 이베퍼레이터(증발기)(141), 컴프레서(압축기)(142), 컨덴서(응축기)(143), 팽창밸브(144)를 포함하고, 컨덴서(143)에서 나온 냉매가 팽창밸브(144)를 통과하면서 습증기 상태로 변화한다.
이후 냉매는 이베퍼레이터(141)를 통과하면서 공기와의 열교환을 통해 기체상태로 기화되고, 냉매가 기화되는 동안 공조블로어(145)에 의해 이베퍼레이터(141)로 송출된 공기의 열을 빼앗게 된다.
그리고, 이렇게 냉각된 공기가 차량 실내로 토출됨으로써 냉방이 이루어진다.
이베퍼레이터(141)를 통과한 냉매는 컴프레서(142)를 통과하는 동안 고온 고압으로 압축되고, 이후 냉매는 컨덴서(143)를 통과하는 동안 공기와의 열교환을 통해 다시 응축된다.
상기와 같은 에어컨 시스템의 구성 중, 전술한 바와 같이 컨덴서(143)가 라디에이터(126) 전방에 근접 배치되는데, 엔진 냉각수온의 상승으로 인해 라디에이터(126)의 온도가 높아지면 컨덴서(143)에서의 냉각효율 및 냉각성능(응축성능)이 저하되면서 냉매압이 높아지게 된다.
그리고, 도시되지는 않았으나, 인버터 및 컨버터와 같은 전력변환장치를 포함하는 전기동력(PE:Power Electronics) 부품을 냉각하기 위한 냉각회로가 차량에 구비될 수 있다.
상기 냉각회로는 전기동력 부품(PE 부품)을 냉각하기 위한 냉각유체가 통과하는 동안 공기와의 열교환이 이루어지는 PE 쿨러(146)를 포함하며, 상기 PE 쿨러(146) 역시 도 2에 예시된 바와 같이 라디에이터(126)에 근접 배치될 수 있다.
한편, 상기한 통합 열관리 시스템의 제어에 있어서 외기온과 엔진 냉각수온에 기초하여 밸브의 개도량을 제어하도록 할 수 있으나, 외기온과 냉매압이 일정 수준 이상일 때 엔진 냉각수온이 고온 상태가 아니어도 라디에이터 밸브(112)의 개도량을 증대시켜 엔진 냉각수온의 상승을 방지하는 제어가 필요하다.
따라서, 본 발명에서는 에이컨 냉매압을 고려하여 통합 열관리 시스템의 제어가 이루어지도록 하며, 냉방부하로 인해 냉매압이 상승한 경우 엔진 냉각수온을 낮추어 컨덴서(143)에서의 응축성능을 확보하게 된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 통합 열관리 시스템의 제어 과정을 수행하는 장치 구성을 나타내는 블록도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 통합 열관리 시스템의 제어 과정을 나타내는 순서도로서, 이를 참조로 본 발명의 실시예에 따른 제어 과정에 대해 설명하면 다음과 같다.
도 3을 참조하면, 차량 운전상태 정보를 검출하기 위한 운전정보 검출부(90), 상기 운전정보 검출부(90)의 검출정보로부터 엔진 냉각수온 및 냉각수 유량을 제어하기 위한 제어신호를 출력하는 제어부(100), 그리고 상기 제어부(100)가 출력하는 제어신호에 따라 개폐작동이 제어되는 통합유량제어밸브(110)를 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 차량 운전상태 정보는 엔진 냉각수온, 외기온, 에어컨 냉매압 및 실내온을 포함하고, 상기 운전정보 검출부(90)는 이들 실시간 정보를 검출하기 위한 센서들을 포함한다.
보다 상세하게는, 본 발명의 실시예에서, 상기 운전정보 검출부(90)는 엔진 냉각수온을 검출하는 수온센서(91), 외기온을 검출하는 외기온센서(92), 에어컨 냉매압을 검출하는 냉매압센서(93), 그리고 차량 실내온을 검출하는 실내온센서(94)를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제어부(100)는 운전정보 검출부(90)의 검출정보, 즉 상기 차량 운전상태에 관한 실시간 정보인 엔진 냉각수온, 외기온, 냉매압 및 실내온 정보를 기초로 통합유량제어밸브(110)를 제어하기 위한 제어신호를 생성 및 출력하도록 구비된다.
이로써, 통합유량제어밸브(110)는 제어부(100)가 출력하는 제어신호에 따라 개폐작동이 제어되는데, 보다 상세하게는 도 3의 구성에서 제어부(110)의 제어신호에 따라 통합유량제어밸브(110)의 밸브들, 즉 제1 밸브(112), 제2 밸브(113) 및 제3 밸브(114)의 개폐작동이 제어된다.
도 4에서는 도 1의 통합 열관리 시스템에서 열관리 제어를 위해 각 밸브들을 제어하는 구체적인 제어 과정을 상세히 나타내고 있다.
도시된 바와 같이, S11 단계에서는 제어부(100)는 차량의 엔진 시동(engine start) 후 엔진 냉각수온이 설정수준 이하로 낮은 상태, 즉 엔진이 시동 초기라서 엔진 웜업이 필요한 낮은 온도 상태인지를 판단한다.
이를 위해, S11 단계에서 제어부(200)는 수온센서(91)에 의해 검출된 엔진 냉각수온을 미리 정해진 제1 설정수온(X1)과 비교하고, 검출된 엔진 냉각수온이 제1 설정수온(X1) 이하인 경우 S12 단계에서 제어부(100)는 통합유량제어밸브(110)의 제2 밸브인 배기열회수밸브(113)를 개방(open)한다.
여기서, 제1 설정수온(X1)은 엔진 웜업 필요 여부를 판정할 수 있는 정도로 충분히 낮은 온도로 설정된다.
본 발명에서 후술하는 설정수온들은 '제1 설정수온 < 제2 설정수온 < 제3 설정수온 < 제4 설정수온 < 제5 설정수온'의 관계가 되도록 제어부(100)에 미리 설정된다.
이로써, 배기열 회수를 통한 신속한 엔진 웜업이 이루어질 수 있는데, 제어부(100)가 배기열회수밸브(113)를 개방하면, 전동워터펌프(AEWP)(121)에 의해 냉각수가 통합유량제어밸브(110)에서 배기열회수장치(122)로 공급되고, 이어 냉각수가 배기열회수장치(122)를 통과하는 동안 배기가스와의 열교환에 의해 가열된다.
이렇게 가열된 냉각수가 히터코어(123)를 통과한 뒤 워터펌프(127)를 거쳐 엔진의 실린더블록(128) 및 실린더헤드(129)로 공급됨으로써 엔진 온도를 상승시키며, 결국 엔진은 상기와 같이 시동 후 배기열 회수를 통한 웜업 과정을 거침으로써 최적의 운전온도에 신속히 도달할 수 있다.
반면, 제어부(100)는 S11 단계에서 엔진 냉각수온이 제1 설정수온(X1)보다 높은 것으로 판단한 경우, S13 단계에서 외기온센서(92)에 의해 검출된 외기온을 미리 정해진 설정외기온(Y)과 비교하고, 동시에 냉매압센서(93)에 의해 검출된 에어컨 냉매압을 미리 정해진 설정압(Z)과 비교한다.
이때, 검출된 외기온이 설정외기온(Y)보다 높은 조건, 및 검출된 에어컨 냉매압이 설정압(Z)보다 높은 조건을 모두 만족하면, 제어부(100)는 S19 단계에서 통합 열관리 시스템에 대한 냉각우선모드 제어를 수행한다.
기본적으로, 냉각우선모드에서는 외기온이 설정외기온(Y)보다 높고, 에어컨 냉매압이 설정압(Z)보다 높은 경우, 에어컨 냉매압에 따라 통합유량제어밸브(110)의 개폐작동을 제어하여, 상기 통합유량제어밸브(110)를 통해 라디에이터(126)로 공급되는 냉각수의 유량을 증가시킨다.
바람직하게는, S13 단계에서 제어부(100)가 공조블로어(145)가 냉방을 위해 구동하고 있는 온(on) 상태인지를 더 판단하고, 상기 두 조건과 함께 공조블로어(145)의 온(on) 상태인 조건을 더 만족하면, 제어부(100)가 S19 단계의 냉각우선모드 제어를 수행하도록 할 수 있다.
냉각우선모드로 진입하게 되면, 제어부(100)는 통합유량제어밸브(110)의 제1 밸브인 라디에이터 밸브(112)를 개방하고, 이때 상기 검출된 냉매압에 따라 라디에이터 밸브(112)의 개도량을 제어한다.
즉, 상기 조건들을 모두 만족하는 경우, 일정 수준 이상의 냉방부하가 발생한 것으로 판단하여 냉매압에 따른 통합 열관리 제어에 진입하는 것이며, 제어부(100)가 냉매압 상태에 따라 라디에이터 밸브(112)의 개도율(%)을 결정한 뒤, 상기 결정된 개도율(%)로 라디에이터 밸브(112)의 개폐작동을 제어하고, 이를 통해 라디에이터(126)로 공급되는 냉각수 유량을 제어한다.
하기 표 1은 에어컨 냉매압(psi)에 따라 라디에이터 밸브(112)의 개도율(%)을 설정해놓은 설정정보로서, 표 1에 예시한 바와 같이, 설정정보는 냉매압의 각 구간별로 라디에이터 밸브(112)의 개도율(%)을 정해진 값으로 설정해놓은 테이블이 될 수 있다.
Figure pat00001
표 1의 설정정보를 참조하면, 에어컨 냉매압에 대해 여러 단계의 구간, 즉 정해진 압력범위로 구분하여 복수 개의 냉매압 구간이 설정되고, 각 냉매압 구간별로 목표로 하는 밸브 개도율(%), 즉 라디에이터 밸브(112)에 대한 개도율 목표값이 설정되어 있다.
이에 제어부(100)는 냉매압센서(93)에 의해 검출된 현재의 냉매압으로부터 상기 표 1과 같은 설정정보를 이용하여 저압, 중압, 고압의 냉매압 상태를 판단할 수 있고, 냉매압 상태에 따른 밸브 개도율을 결정할 수 있다.
이때, 표 1과 같이 중압 구간에 대해서도 복수 개의 구간으로 세분화할 수 있는데, 현재의 냉매압에 따라 중압 구간 내 여러 세분화된 구간 중 하나가 선택될 수 있고, 상기 선택된 구간에 해당하는 밸브 개도율(%)이 결정될 수 있다.
표 1을 참조하면, 냉매압이 높은 단계 및 구간일수록 밸브 개도율(%)이 큰 값으로 설정되어 있으며, 이는 냉매압이 높을수록 라디에이터 밸브(112)의 개도량을 크게 하는 것을 의미하고, 냉매압이 높을수록 라디에이터 밸브(112)의 개도량을 크게 하여 더 많은 유량의 냉각수가 라디에이터(126)에 공급되도록 함을 의미한다.
이와 같이 라디에이터(126)에 공급되는 냉각수의 유량을 많게 할수록 라디에이터와 엔진 사이를 순환하는 냉각수의 온도, 즉 냉각수온을 더 낮출 수 있고, 냉각수온이 고온이 아니더라도 냉각수온 및 라디에이터의 온도가 상승하는 것을 방지할 수 있게 된다.
또한, 라디에이터(126)의 온도 상승이 방지됨에 따라 라디에이터에 근접 배치된 에어컨 컨덴서(143)의 온도가 상승하는 것, 그리고 에어컨 컨덴서(143)의 온도가 상승함으로 인한 냉매압의 상승이 방지될 수 있게 된다.
결국, 컨덴서(143)에서의 냉각효율 및 냉각성능을 높일 수 있게 되고, 컨덴서의 응축성능을 확보할 수 있게 된다.
상기 표 1은 본 발명의 실시예에 따른 제어 방법에 있어서 냉매압에 따라 제어 목표인 라디에이터 밸브(112)의 개도율을 설정해놓은 하나의 예를 나타낸 것으로, 표 1의 수치는 예시적인 뿐, 본 발명이 표 1에 의해 한정되는 것은 아니며, 표 1에서 수치는 시험 및 평가 과정을 거쳐 차량 및 통합 열관리 시스템의 사양이나 조건에 따라 다양하게 튜닝될 수 있다.
그리고, 상기와 같이 에어컨 냉매압에 따른 통합 열관리 시스템의 제어가 실시되는 동안, 제어부(100)는 S20 단계에서 실내온센서(94)에 의해 검출된 실내온과 공조목표온도의 차이값을 설정온도차(△T)와 비교한다.
이때, 제어부(100)는 상기 차이값이 설정온도차(△T)보다 작아지면 제어 과정을 종료하고, 만약 실내온과 공조목표온도의 차이값이 상기 설정온도차에 수렴하지 못하면 냉매압에 따른 통합 열관리 시스템의 제어를 유지한다.
한편, S13 단계에서, 상기 조건들 중 어느 하나라도 만족하지 않는 것으로 판단한 경우, 제어부(100)는 수온센서(91)에 의해 검출된 현재의 엔진 냉각수온에 따른 통합 열관리 시스템의 제어를 수행한다.
보다 상세하게는, 제어부(100)는 S14 단계에서 엔진 냉각수온이 제2 설정수온(X2)보다 높고 제3 설정수온(X3)보다 낮은 상태인지를 판단하는데, 이때 엔진 냉각수온이 제2 설정수온(X2)보다 높고 제3 설정수온(X3)보다 낮은 상태인 경우, 제어부(100)는 S15 단계에서 통합유량제어밸브(110)의 제3 밸브인 ATF 워머 밸브(114)를 개방하고, 이때 상기 검출된 엔진 냉각수온에 따라 ATF 워머 밸브(114)의 개도량을 제어한다.
즉, 제어부(100)가 수온센서(91)에 의해 검출된 엔진 냉각수온으로부터 설정정보를 이용하여 ATF 워머 밸브(114)의 개도율을 결정한 뒤, 상기 결정된 개도율로 ATF 워머 밸브(114)의 개폐작동을 제어하는 것이며, 이를 통해 변속기 오일과 열교환하는 냉각수의 유량이 냉각수온에 따라 제어될 수 있도록 한다.
반면, 상기 S14 단계에서 엔진 냉각수온이 제2 설정수온(X2)보다 높고 제3 설정수온(X3)보다 낮은 상태가 아닌 것으로 판단한 경우, 제어부(100)는 S16 단계에서 수온센서(91)에 의해 검출된 엔진 냉각수온이 제4 설정수온(X4)보다 높고 제5 설정수온(X5)보다 낮은 상태인지를 판단한다.
이때, 엔진 냉각수온이 제4 설정온도(X4)보다 높고 제5 설정수온(X5)보다 낮은 상태인 경우, 제어부(100)는 S17 단계에서 엔진 냉각수온이 엔진 운전점 운전을 위한 목표 냉각수온(예 95℃ ~ 105℃)을 추종하도록 하기 위한 통합 열관리 제어, 즉 엔진 효율 최적화를 위한 통합 열관리 시스템(ITM)의 제어(즉, 통합유량제어밸브의 개폐작동 제어)를 수행한다.
그러나, S16 단계에서 엔진 냉각수온이 제4 설정온도(X4)보다 크고 제5 설정수온(X5)보다 낮은 상태가 아닌 것으로 판단한 경우, 특히 엔진 냉각수온이 제5 설정온도(X5) 이상인 경우, 제어부(100)는 통합유량제어밸브(110)의 제1 밸브인 라디에이터 밸브(112)를 개방하고, 이때 상기 검출된 엔진 냉각수온에 따라 라디에이터 밸브(112)의 개도량을 제어한다.
즉, 제어부(100)가 수온센서(91)에 의해 검출된 엔진 냉각수온으로부터 설정정보를 이용하여 라디에이터 밸브(112)의 개도율(%)을 결정한 뒤, 상기 결정된 개도율로 라디에이터 밸브(112)의 개폐작동을 제어하는 것이며, 이를 통해 라디에이터(126)로 공급되는 냉각수의 유량을 조절하여 엔진 냉각수온이 적정 온도 수준을 유지하도록 제어한다.
이와 같이 하여, 본 발명에 따른 통합 열관리 시스템의 제어 방법에서는 외기온이 일정 수준 이상일 때 운전자가 설정한 공조목표온도보다 실내온이 높아 실내 냉방이 필요한 경우이면(공조블로어 온(on) 상태임), 에어컨 냉매압에 따른 통합 열관리 제어 모드(냉각우선모드)로 진입하여 컨덴서 응축성능 저하 및 냉매압 상승을 방지하게 된다.
이로써, 본 발명에 따른 통합 열관리 시스템의 제어 방법에 의하면, 과도한 냉매압 상승이 방지될 수 있으므로 차량의 냉방성능 및 상품성이 향상될 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 통합 열관리 시스템의 제어 방법에 의하면, 냉방부하가 큰 상황에서 엔진 냉각수 및 에어컨 냉매압을 효율적으로 관리할 수 있게 되고, 에어컨 컴프레서의 소모 에너지 감소 및 차량 실도로 연비 향상의 효과가 있게 된다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
90 : 운전정보 검출부 91 : 수온센서
92 : 외기온센서 93 : 냉매압센서
94 : 실내온센서 100 : 제어부
110 : 통합유량제어밸브 111 : 메인 바디
112 : 제1 밸브(라디에이터 밸브) 113 : 제2 밸브(배기열회수밸브)
114 : 제3 밸브(ATF 워머 밸브) 121 : 전동워터펌프(AEWP)
122 : 배기열회수장치 123 : 히터코어
124 : ATF 워머 125 : 오일 워머
126 : 라디에이터 127 : 워터펌프
128 : 실린더블록 129 : 실린더헤드
130 : EGR 쿨러 141 : 이베퍼레이터
142 : 컴프레서 143 : 컨덴서
144 : 팽창밸브 145 : 공조블로어
146 : PE 쿨러

Claims (9)

  1. 차량 시동 후 엔진 냉각수온을 미리 정해진 제1 설정수온과 비교하는 제1 단계;
    엔진 냉각수온이 제1 설정수온보다 높은 경우, 외기온을 설정외기온과 비교하고, 에어컨 냉매압을 설정압과 비교하는 제2 단계; 및
    외기온이 설정외기온보다 높고, 에어컨 냉매압이 설정압보다 높은 경우, 에어컨 냉매압에 따라 통합유량제어밸브의 개폐작동을 제어하여, 상기 통합유량제어밸브를 통해 라디에이터로 공급되는 냉각수의 유량을 증가시키는 제3 단계를 포함하는 차량용 통합 열관리 시스템의 제어 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 단계에서 공조블로어가 구동하고 있는 공조블로어 온(on) 상태인지를 판단하고,
    외기온이 설정외기온보다 높고, 에어컨 냉매압이 설정압보다 높으며, 공조블로어 온 상태인 경우, 상기 제3 단계에서 에어컨 냉매압에 따라 통합유량제어밸브의 개폐작동을 제어하는 것을 특징으로 하는 차량용 통합 열관리 시스템의 제어 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    외기온이 설정외기온보다 높은 조건, 에어컨 냉매압이 설정압보다 높은 조건, 공조블로어가 온 상태인 조건 중 어느 하나라도 만족하지 않는 경우, 엔진 냉각수온에 따라 통합유량제어밸브의 개폐작동을 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 통합 열관리 시스템의 제어 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 엔진 냉각수온에 따라 통합유량제어밸브의 개폐작동을 제어하는 단계에서, 엔진 냉각수온이 제2 설정수온보다 높고 제3 설정수온보다 낮은 경우('제1 설정수온 < 제2 설정수온 < 제3 설정수온'임), 변속기 오일과의 열교환이 이루어지는 ATF 워머로 냉각수가 공급되도록 통합유량제어밸브의 개폐작동을 제어하고, 엔진 냉각수온에 따라 ATF 워머로 공급되는 냉각수의 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 차량용 통합 열관리 시스템의 제어 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 엔진 냉각수온에 따라 통합유량제어밸브의 개폐작동을 제어하는 단계에서, 엔진 냉각수온이 제4 설정수온보다 높고 제5 설정수온보다 낮은 경우('제3 설정수온 < 제4 설정수온 < 제5 설정수온'임), 엔진 냉각수온이 엔진 운전점 운전을 위한 목표 냉각수온을 추종하도록 하기 위한 통합유량제어밸브의 개폐작동 제어가 수행되는 것을 특징으로 하는 차량용 통합 열관리 시스템의 제어 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 엔진 냉각수온에 따라 통합유량제어밸브의 개폐작동을 제어하는 단계에서, 엔진 냉각수온이 상기 제5 설정온도 이상인 경우, 냉각수가 라디에이터로 공급될 수 있도록 통합유량제어밸브의 개폐작동을 제어하고, 엔진 냉각수온에 따라 라디에이터로 공급되는 냉각수의 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 차량용 통합 열관리 시스템의 제어 방법.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 제3 단계에서 에어컨 냉매압에 높을수록 통합유량제어밸브의 개도량을 더 크게 제어하여 라디에이터로 공급되는 냉각수의 유량을 더 증가시키는 것을 특징으로 하는 차량용 통합 열관리 시스템의 제어 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제3 단계에서 에어컨 냉매압에 높을수록 통합유량제어밸브의 개도량을 더 크게 제어하여 라디에이터로 공급되는 냉각수의 유량을 더 증가시키는 것을 특징으로 하는 차량용 통합 열관리 시스템의 제어 방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 단계에서, 엔진 냉각수온이 제1 설정수온 이하인 경우, 냉각수가 배기열회수장치로 공급되도록 통합유량제어밸브의 개폐작동을 제어하여, 냉각수가 배기열회수장치에서 배기가스와의 열교환에 의해 가열된 뒤 엔진으로 공급되어 엔진 웜업이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 차량용 통합 열관리 시스템의 제어 방법.
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