KR20230089929A - 유체가열히터의 구동 제어장치 및 이의 제어방법 - Google Patents

유체가열히터의 구동 제어장치 및 이의 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리 온도 제어를 위한 유체가열히터의 구동 제어장치 및 이의 제어방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 전원부로부터 공급되는 전압값에 따라 전원부와 제1발열체 및 제2발열체 간 연결 구성을 다르게 하여 피크 전류 제한, 최대 히터 발열량 제한 및 허용 최대 와트밀도를 충족하도록 함으로써 인가 가능한 전압 범위를 최대한 증대시킴과 동시에 히터 안정성을 충족할 수 있는 유체가열히터의 구동 제어장치 및 이의 제어방법에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 전원을 공급하는 전원부; 상기 전원부로부터 전원을 공급받아 배터리를 가열하는 복수의 발열체; 상기 전원부와 복수의 발열체 사이에 연결되어 전원을 단속하는 복수의 스위치를 포함하는 스위칭부; 및 상기 복수의 스위치를 제어하고 상기 전원부의 전원 공급을 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 제어부는 상기 전원부의 전압값에 기초하여 기설정된 스위칭 모드에 따라 복수의 발열체를 직렬 또는 병렬로 연결되도록 하거나 복수의 발열체 중 선택되는 적어도 하나의 발열체에만 전원이 공급되도록 상기 복수의 스위치를 제어한다.

Description

유체가열히터의 구동 제어장치 및 이의 제어방법{Drive control device for fluid heating heater and control method therefor}
본 발명은 유체가열히터의 구동 제어장치 및 이의 제어방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 전원부로부터 공급되는 전압값에 따라 전원부와 제1발열체 및 제2발열체 간 연결 구성을 다르게 하여 피크 전류 제한, 최대 히터 발열량 제한 및 허용 최대 와트밀도를 충족하도록 함으로써 인가 가능한 전압 범위를 최대한 증대시킴과 동시에 히터 안정성을 충족할 수 있는 유체가열히터의 구동 제어장치 및 이의 제어방법에 관한 것이다.
전기자동차의 차륜을 구동시키는 모터는 배터리의 전원 공급에 의해 구동된다. 전기자동차용 배터리의 성능은 여러 요소에 의하여 영향을 받으나, 특히 온도에 민감하여 배터리의 충전 및 방전시 최대전류는 온도에 따라 달라지게 된다.
즉, 배터리의 온도는 배터리 내부의 화학반응 및 배터리의 외부환경에 따라 달라지는데, 전기자동차용 배터리는 그 효율성을 위해 최적의 온도를 유지하고 온도 변화를 억제할 필요성이 있다.
이에 대한 개선책으로서, 일본공개특허 제2011-016489호(이하, '선행 문헌 1'이라 한다)에서는 열매체 가열 장치를 소형화하는 것과 동시에 그 제어 기판을 효율적으로 냉각할 수 있는 열매체 가열 장치 및 그것을 이용한 차량용 공기 조절 장치가 개시되었다.
상기 선행 문헌 1에 개시된 열매체 가열 장치는 평판상으로 되는 PTC 히터와, 그 PTC 히터를 끼우고 그 양면에 적층되는 서로에게 연통 되어 있는 한 쌍의 열매체 유통부를 구비하고, 한 쌍의 열매체 유통부의 어느 한쪽의 한 측면에 기판 수용부가 일체에 설치되고, 그 기판 수용부내에 PTC 히터를 제어하는 제어 기판이 마련되어 있다.
아울러 한국공개특허 제10-2016-0082661호(이하, '선행 문헌 2'라 한다)에서는 전기자동차의 배터리 온도 제어 시스템에서 안정성을 확보할 수 있는 배터리히터의 과열 방지장치가 개시되었다.
상기 선행 문헌 2에 개시된 배터리히터의 과열 방지장치는 전원을 공급받아 배터리를 가열시키는 열교환유체를 가열하는 히터부, 상기 히터부로부터 열을 받아 온도가 소정값(Tf) 이상이 되면 상기 히터부로 인가되는 전원을 차단시키는 온도감응스위치, 기 히터부와 상기 온도감응스위치 사이에 배치되고, 상기 히터부로부터 열을 상기 온도감응스위치에 전달하는 열전달부재 및 상기 열전달부재의 일면에 상기 온도감응스위치의 일면이 탄성 지지 되도록 고정시키는 고정부재를 포함함으로써, 안정성을 확보할 수 있도록 구성되어 있다.
이와 같은 상기 선행 문헌 1 및 2는 발열체의 열선에 열밀도가 집중되고 피크 전류값이 커져서 용융 현상이 발생할 수 있고 전압이 커지면 PWM(Pulse Width Modulation; 펄스 폭 변조)에서 듀티(Duty Cycle) 조절이 필요한데, 고전압에서는 듀티가 작아 열밀도가 급격히 증대되는 문제가 발생된다.
이러한 상기 문제들로 발열체의 내구성 및 안정성이 감소되어 배터리의 화재 발생 등 사용성이 현저히 저하되는 문제를 초래할 수 있다.
일본공개특허 제2011-016489호(공개일 2011.01.27) 한국공개특허 제10-2016-0082661호 (공개일 2016.07.08)
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서 전원부로부터 공급되는 전압값에 따라 복수의 스위칭부를 제어하는 유형을 3개소의 스위칭 모드로 세분화하고 해당 모드별로 전원부와 제1발열체 및 제2발열체 간 연결 구성이 다르도록 함으로써 피크 전류, 최대 히터 발열량 및 최대 와트밀도의 제한치를 초과하지 않도록 하여 공급 가능한 전압 범위를 최대한 증대시킴과 동시에 히터 안정성을 충족할 수 있는 유체가열히터의 구동 제어장치 및 이의 제어방법을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위해 아래와 같은 특징을 갖는다.
본 발명은 전원을 공급하는 전원부; 상기 전원부로부터 전원을 공급받아 유체를 가열하는 복수의 발열체; 상기 전원부와 복수의 발열체 사이에 연결되어 전원을 단속하는 복수의 스위치를 포함하는 스위칭부; 및 상기 복수의 스위치를 제어하고 상기 전원부의 전원 공급을 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 제어부는 상기 전원부의 전압값에 기초하여 기설정된 스위칭 모드에 따라 복수의 발열체를 직렬 또는 병렬로 연결되도록 하거나 복수의 발열체 중 선택되는 적어도 하나의 발열체에만 전원이 공급되도록 상기 복수의 스위치를 제어한다.
여기서 상기 복수의 발열체는 상기 전원부의 양극과 일단이 연결된 제1발열체 및 상기 전원부의 음극과 일단이 연결된 제2발열체를 포함하고, 상기 스위칭부는 상기 제1발열체의 타단과 상기 전원부 음극 간에 연결된 제1스위치와, 상기 제2발열체의 타단과 상기 전원부 양극 간에 연결된 제2스위치 및 상기 제1발열체의 타단과 상기 제2발열체의 타단 간에 연결된 제3스위치를 포함한다.
또한 상기 제어부는 상기 전압값이 저전압 하위 임계값과 저전압 상위 임계값 사이인 경우 상기 제1스위치 및 제2스위치를 온시키고, 상기 제3스위치는 오프시킨다.
또한 상기 제어부는 상기 전압값이 저전압 상위 임계값과 고전압 하위 임계값 사이인 경우 상기 제1스위치 및 제2스위치 중 어느 하나를 온시키고, 다른 하나 및 상기 제3스위치는 오프시킨다 .
아울러 상기 제어부는 상기 전압값이 고전압 하위 임계값과 고전압 상위 임계값 사이인 경우 상기 제1스위치 및 제2스위치를 오프시키고, 상기 제3스위치는 온시킨다 .
또한 상기 제어부는 상기 전압값이 저전압 하위 임계값보다 작은 경우 상기 전원부의 전원 공급이 중지되도록 전원부를 제어하고, 저전압 경고정보를 제공하고, 상기 전압값이 고전압 상위 임계값보다 큰 경우 상기 전원부의 전원 공급이 중지되도록 전원부를 제어하고, 고전압 경고정보를 제공한다.
아울러 본 발명은 전원을 공급하는 전원부, 복수의 발열체와, 상기 전원부와 복수의 발열체 사이에 연결된 복수의 스위치를 포함하는 스위칭부 및 상기 복수의 스위치와 전원부를 제어하는 제어부를 포함하는 유체가열히터 구동 제어장치의 제어방법에 있어서, 상기 제어부는, (a) 상기 전원부의 전압값을 측정하는 단계; (b) 상기 측정된 전압값에 기초하여 스위칭 모드를 선택하는 단계; 및 (c) 상기 선택된 스위칭 모드에 따라 상기 복수의 발열체를 전원부와 직렬 또는 병렬로 연결하거나 복수의 발열체 중 선택되는 적어도 하나의 발열체에만 전원이 공급되도록 복수의 스위치를 제어하는 단계;를 포함한다.
여기서 상기 복수의 발열체는 상기 전원부의 양극과 일단이 연결된 제1발열체 및 상기 전원부의 음극과 일단이 연결된 제2발열체를 포함하고, 상기 스위칭부는 상기 제1발열체의 타단과 상기 전원부 음극 간에 연결된 제1스위치와, 상기 제2발열체의 타단과 상기 전원부 양극 간에 연결된 제2스위치 및 상기 제1발열체의 타단과 상기 제2발열체의 타단 간에 연결된 제3스위치를 포함한다.
또한 상기 제어부는, 상기 단계(b)에서 상기 전압값이 저전압 하위 임계값과 저전압 상위 임계값 사이인 경우 저전압 모드로 선택하고, 저전압 상위 임계값과 고전압 하위 임계값 사이인 경우 중전압 모드로 선택하며, 고전압 하위 임계값과 고전압 상위 임계값 사이인 경우 고전압 모드로 선택한다.
아울러 상기 제어부는, 상기 단계(c)에서 상기 스위칭 모드가 저전압 모드이면 상기 제1스위치 및 제2스위치를 온시키고, 상기 제3스위치는 오프시킨다.
또한 상기 제어부는, 상기 단계(c)에서 상기 스위칭 모드가 중전압 모드이면 상기 제1스위치 및 제2스위치 중 어느 하나를 온시키고, 다른 하나 및 상기 제3스위치는 오프시키며, 상기 제어부는, 상기 단계(c)에서 상기 스위칭 모드가 중전압 모드이면 상기 제1스위치 및 제2스위치를 오프시키고, 상기 제3스위치는 온시킨다.
아울러 상기 제어부는, 상기 단계(b)에서 상기 전압값이 저전압 하위 임계값보다 작은 경우 상기 전원부의 전원 공급이 중지되도록 전원부를 제어하고, 저전압 경고정보를 제공하고, 상기 전압값이 고전압 상위 임계값보다 큰 경우 상기 전원부의 전원 공급이 중지되도록 전원부를 제어하고, 고전압 경고정보를 제공한다.
본 발명에 따르면 전원부의 공급 전압에 따라 전체 발열체의 저항을 변화시킴으로써 피크 전류를 조절하여 최대 와트밀도 내에서 히터 작동이 가능함에 따라 히터 내구성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
아울러 전원부의 전압이 저전압 범위에 해당하더라도 발열량을 증대시킬 수 있으며, 고전압 범위에 해당하더라도 피크 전류를 감소시켜 최대 와트밀도를 감소시킬 수 있어 전원부의 공급 전압 허용 범위가 매우 증대되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 유체가열히터의 구동 제어장치의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 발열체를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 유체가열히터의 구동 제어회로를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4a는 본 발명의 일실시예에 따른 저전압 모드의 회로를 나타낸 도면이다.
도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 중전압 모드의 회로를 나타낸 도면이다.
도 4c는 본 발명의 일실시예에 따른 고전압 모드의 회로를 나타낸 도면이다.
도 5는 종래 유체가열히터의 구동 제어회로들인 비교 회로1 및 비교 회로2를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 유체가열히터의 구동 제어회로와 비교 회로 1 및 2의 인가 전압 범위에 따른 구성 저항을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 유체가열히터의 구동 제어회로와 비교 회로 1 및 2의 인가 전압 범위에 따른 피크 전류를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 유체가열히터의 구동 제어회로와 비교 회로 1 및 2의 인가 전압 범위에 따른 최대 히터 발열량을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 유체가열히터의 구동 제어회로와 비교 회로 1 및 2의 인가 전압 범위에 따른 최대 와트밀도를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 유체가열히터의 구동 제어방법의 과정을 나타내는 순서도이다.
도 11은 도 10에서 S200 단계와 S300 단계의 구체적인 과정을 일예로 나타낸 순서도이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 설명하기 위하여 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하고 이를 참조하여 살펴본다.
먼저, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 또한 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 유체가열히터의 구동 제어장치의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이며, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 발열체를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 유체가열히터의 구동 제어회로를 개략적으로 나타내는 도면이며, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 스위칭 모드별 회로를 나타낸 도면이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 유체가열히터의 구동 제어장치는 크게 전원을 공급하는 전원부(100)와, 상기 전원부(100)로부터 전원을 공급받아 유체에 열에너지를 공급하는 복수의 발열체(200)와, 상기 전원부(100)와 복수의 발열체(200) 사이에 연결되어 전원을 단속하는 복수의 스위치를 포함하는 스위칭부(300) 및 상기 복수의 스위치를 제어하고 전원부의 전원 공급을 제어하는 제어부(400)를 포함하며, 상기 제어부(400)는 상기 전원부(100)의 전압값(Vdc)에 기초하여 기설정된 스위칭 모드에 따라 복수의 발열체(200)를 직렬 또는 병렬로 연결되도록 하거나 복수의 발열체(200) 중 선택되는 적어도 하나의 발열체에만 전원이 공급되도록 복수의 스위치를 제어한다.
여기서 상기 전원부(100)는 상기 복수의 발열체(200)로 전원을 공급하여 발열체(200)에서 열이 발생하도록 구비되는데, 이러한 전원부(100)는 별도의 전원부가 구비될 수도 있지만, 바람직하게는 배터리로부터 전원을 공급받도록 구성할 수 있다.
또한 상기 복수의 발열체(200)는 상기 전원부(100)를 통해 전원을 공급받아 발열체(200) 주변으로 수용되는 열매체인 유체에 열을 전달하도록 구비되는데, 이러한 복수의 발열체(200)는 본 발명의 일실시예에 따라 서로 이격되어 배치되는 제1발열체(210)와 제2발열체(220)로 구성된다.
물론 본 발명의 일실시예에서는 상기 제1발열체(210)와 제2발열체(220)로 구성하였으나 필요에 따라 제3발열체 또는 그 이상으로 구성할 수도 있다.
아울러 상기 스위칭부(300)는 상기 전원부(100)와 복수의 발열체(200), 즉 제1발열체(210)와 제2발열체(220) 사이에 연결되어 전원이 해당 제1발열체(210) 및 제2발열체(220)에 공급되는 것을 단속하도록 구비되는데, 본 발명의 일실시예에서는 이와 같은 복수의 스위칭부(300)를 상기 제1발열체(210)의 일단과 상기 전원부(100) 음극 간에 연결되는 제1스위치(310)와, 상기 제1발열체(210)의 일단과 상기 제2발열체(220)의 일단 사이에 연결되는 제2스위치(320)와, 상기 제1발열체(210)의 타단과 상기 제2발열체(220)의 일단에 연결되는 제3스위치(330)를 포함한다.
이와 같은 스위칭부(300)가 3개소로 구성되는 것은 전술한 복수의 발열체(200)가 2개소로 구성되기 때문인데, 만일 복수의 발열체(200)가 3개소로 구성될 경우 상기 스위칭부(300)는 6개소 이상으로 구성됨이 바람직하다.
한편 상기 제어부(400)는 상기 제1, 제2 및 제3스위치(310, 320, 330)를 각각 제어하여 제1발열체(210) 및 제2발열체(220)에 전원 공급을 선택적으로 구성한다.
이러한 제어부(400)는 상기 스위칭부(300) 제어 시 상기 전원부(100)의 전압값(Vdc)에 기초하여 기설정된 스위칭 모드에 따라 상기 스위칭부(300) 제어를 수행한다.
여기서 전원부(100)의 전압값(Vdc)은 제어부(400) 내 측정부가 포함되어 측정이 이루어질 수 있으며 별도로 구비되는 전압 측정수단을 통해 제어부(400)가 전달받도록 구성될 수도 있다.
아울러 상기 기설정된 스위칭 모드는 크게 3가지 모드 형태로 분류되는데, 저전압 모드, 중전압 모드 및 고전압 모드가 이에 해당된다.
본 발명의 일실시예에서는 유체가열히터의 구동 제어를 함에 있어 2개소의 발열체(200)와 3개소의 스위칭부(300)를 통해 구동 제어를 수행하는데, 이러한 3개소 스위칭부(300)를 제어하는 제어부는 스위칭부(300) 제어를 통해 2개소의 발열체(200)가 서로 직렬 또는 병렬로 연결되도록 하거나 이들 중 어느 하나만 전원부(100)에 연결되도록 한다.
이와 같이 제1, 제2발열체(210, 220) 간 연결 구성을 달리하는 이유는 전원부(100)를 통해 인가되는 전압값(Vdc)에 대응하여 가열히터의 발열량과 내구성을 충족시키기 위함이다.
즉, 전압값(Vdc)이 고전압일 경우 저항 요소로 작용하는 발열체의 저항값이 낮게 되면 피크 전류가 높아져 발열체의 피로도를 높이고 손상을 초래할 수 있기 때문에 발열체의 저항값이 높게 설정되어야 하고, 전압값(Vdc)이 저전압일 경우 발열체에 흐르는 피크 전류가 낮아 발열량이 저하되어 원활한 유체의 가열이 어렵기 때문에 발열체의 수를 증대시킬 필요가 있다.
물론 발열체의 수를 증대시키는 경우라 하더라도 이들 간이 직렬로 연결되는 경우 피크 전류는 보다 낮아지게 되므로 전체 발열량의 증대를 기대하기 어려우므로 발열체 수를 증대시키되 이들 간의 연결을 병렬로 연결하여야 전체 발열량이 증대될 것이다.
이와 같이 전압값(Vdc)이 고전압인 경우와 저전압인 경우에 모두 일정 이상의 발열량을 유지하고 발열체의 내구성을 확보하려면 전압값(Vdc)에 따라 2개소의 발열체 간 연결 구성을 직렬 또는 병렬로 연결하거나 어느 1개소의 발열체만 인가전압이 공급되도록 구성하면 해결될 수 있다.
따라서 본 발명의 일실시예에서는 제어부(400)가 3개소의 제1, 제2, 제3스위치(310, 320, 330)의 제어를 통해 제1발열체(210)와 제2발열체(220)의 연결 구성을 3개의 스위칭 모드인 고전압 모드, 중전압 모드 및 저전압 모드에 따라 각각 직렬 연결, 단일 발열체 선택 연결 및 병렬 연결로 수행하여 일정 이상의 발열량을 유지함과 동시에 발열체의 내구성을 확보한다.
이를 통해 본 발명의 일실시예에 따른 유체가열히터의 구동 제어회로에 인가될 수 있는 전압의 범위가 보다 넓어 질 수 있어 다양한 전력 공급원의 사용이 가능해질 수 있다.
전술한 3개의 스위칭 모드별 스위칭부 제어를 살펴보면 우선 전압값(Vdc)이 측정되고, 측정된 전압값이 기설정된 저전압 하위 임계값(Vref1)과 기설정된 저전압 상위 임계값(Vref2) 사이인 경우, 제어부(400)는 상기 스위칭 모드를 저전압 모드로 판단하고, 도 4a에서와 같이 상기 제1스위치(310) 및 제2스위치(320)를 온(ON)시키고, 상기 제3스위치(330)는 오프(OFF)시켜 상기 제1발열체(210) 및 제2발열체(220)가 상기 전원부(100)와 병렬 연결되도록 구성한다.
이에 따라 저전압 모드에서는 제1발열체(210)와 제2발열체(220)가 각각 병렬 연결되어 저전압시 피크전류가 낮아져 발열량이 저하되는 문제를 최소화시킬 수 있다.
아울러 상기 제어부(400)는 상기 전압값(Vdc)이 기설정된 저전압 상위 임계값(Vref2)과 기설정된 고전압 하위 임계값 사이(Vref3)인 경우 상기 스위칭 모드는 중전압 모드로 판단하고, 도 4b에서와 같이 상기 제1스위치(310) 및 제2스위치(320) 중 어느 하나를 온(ON)시키고, 다른 하나 및 상기 제3스위치는 오프(OFF)시켜 상기 제1발열체(210) 및 제2발열체(220) 중 선택되는 어느 하나만 상기 전원부(100)와 연결되도록 한다.
물론 이때 설정에 따라 제1발열체(210)와 제2발열체(220)가 교대로 전원부(100)와 연결되도록 제1스위치(310) 및 제2스위치(320)를 교대로 단속 제어할 수도 있다.
아울러 상기 제어부(400)는 상기 전압값(Vdc)이 기설정된 고전압 하위 임계값(Vref3)과 기설정된 고전압 상위 임계값(Vref4) 사이인 경우 상기 스위칭 모드는 고전압 모드로 판단하고, 도 4c에서와 같이 상기 제1스위치(310) 및 제2스위치(320)를 오프시키고, 상기 제3스위치(330)는 온시켜 상기 제1발열체(210) 및 제2발열체(220)가 상기 전원부(100)와 직렬 연결되도록 한다.
한편 본 발명의 일실시예에서는 전압값(Vdc)이 저전압 하위 임계값(Vref1) 보다 작거나 고전압 상위 임계값(Vref4)보다 큰 경우 제어부(400)는 전원부(100)의 전원 공급이 중지되도록 전원부(100)를 제어한다.
아울러 필요에 따라 저전압 경고정보 또는 고전압 경고정보를 생성할 수 있으며, 이러한 저전압 경고정보 또는 고전압 경고정보는 별도의 출력 수단을 통해 출력될 수 있다. 여기서 출력수단으로는 경고 데이터가 출력되는 디스플레이 수단이나 경보음을 출력하는 음성출력수단 등이 해당될 수 있다.
도 5는 종래 유체가열히터의 구동 제어회로들인 비교 회로1 및 비교 회로2를 나타내는 도면이며, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 유체가열히터의 구동 제어회로와 비교 회로 1 및 2의 인가 전압 범위에 따른 구성 저항을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 유체가열히터의 구동 제어회로와 비교 회로 1 및 2의 인가 전압 범위에 따른 피크 전류를 개략적으로 나타낸 도면이다.
아울러 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 유체가열히터의 구동 제어회로와 비교 회로 1 및 2의 인가 전압 범위에 따른 최대 히터 발열량을 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 유체가열히터의 구동 제어회로와 비교 회로 1 및 2의 인가 전압 범위에 따른 최대 와트밀도를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도면을 참조하면 본 발명의 일실시예에 따른 유체가열히터의 구동 제어회로는 도 4에 도시된 바와 같이 스위칭 모드별로 제1발열체(210) 및 제2발열체(220)가 서로 병렬 또는 직렬로 연결되거나 어느 하나만 연결되는 형태로 구성되는데, 기존의 유체가열히터의 구동 제어회로는 대표적으로 도 5에 도시된 바와 같이 비교 회로1 또는 비교 회로2로 구성되었다.
비교 회로1의 경우 도 5의 (a)에 해당하는 것으로 1개소의 스위칭 소자(30)와 제1발열체(21), 제2발열체(22)로 구성되고, 비교 회로2의 경우 도 5의 (b)에 해당되는 것으로 제1스위치(31), 제2스위치(32)와 제1발열체(21), 제2발열체(22)로 구성된다.
비교 회로1의 경우 2개소의 발열체(21, 22)가 서로 병렬 연결되어 저전압 모드에서는 안정적으로 구동되나 중전압 모드 또는 고전압 모드에서는 피크전류가 상승하여 내구성이 저하될 수 있다.
또한 비교 회로2의 경우 2개소의 발열체(21, 22)가 제1스위치(31) 및 제2스위치(32)의 단속 제어에 따라 서로 병렬 연결되거나 어느 하나의 발열체만 전원을 공급받게 된다.
물론 어느 하나의 발열체만 전원을 공급받는 경우 각 발열체가 교대로 전원을 공급받도록 구성할 수도 있다.
이와 같은 비교 회로2의 경우 저전압 모드 또는 중전압 모드에서는 안정적으로 구동될 수 있으나 고전압 모드에서는 발열체(21, 22)의 발열량이 증대되어 최대 와트밀도가 증가하고 이에 발열체의 안정적인 내구성을 확보하기 위한 허용 최대 와트밀도 제한치를 초과하는 문제가 발생될 수 있다.
이는 도 6 내지 도 9에 도시되어 있는데, 도 6은 비교 회로1 및 비교 회로2와 본 발명의 구동 제어회로에서의 발열체 전체 저항을 나타낸 것으로 본 발명에서는 스위칭 모드별로 발열체 간 연결 구성을 달리하여 발열체의 전체 저항이 단계적으로 상승한다.
이에 반해 비교 회로1은 일정한 전체 저항을 가지며, 비교 회로2는 2단계의 전체 저항값을 가진다.
이에 따라 도 7에 나타난 바와 같이 본 발명의 구동 제어회로는 전압값에 따라 스위칭 모드를 달리하여 전압값과 상관없이 피크전류 제한치보다 항상 낮게 유지되도록 구성됨에 반해 비교 회로1은 전압값이 중전압 모드 또는 고전압 모드에 해당될 경우 피크전류 제한치를 초과하게 된다.
물론 비교 회로2의 경우에는 본 발명과 같이 피크전류 제한치보다 낮게 유지되나, 고전압 모드에서 본 발명에 비해 상대적으로 피크전류가 높음을 알 수 있다.
이 결과, 도 8에 나타난 바와 같이 발열체의 발열량이 비교 회로2의 경우 고전압 모드에서 최대 히터 발열량 제한치를 초과하게 되고 도 9의 최대 와트밀도 또한 허용 최대 와트밀도 제한치를 초과하게 된다.
따라서 도 6 내지 도 9에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 비교 회로1 및 비교 회로2에 비해 상대적으로 넓은 범위의 전압값에 대해 안정적인 발열 구동이 이루어짐을 알 수 있다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 유체가열히터의 구동 제어방법의 과정을 나타내는 순서도이다.
도면을 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 유체가열히터 구동 제어장치의 제어방법은 전압값(Vdc)이 측정되는 단계(S100), 상기 제어부(400)가 상기 측정된 전압값(Vdc)에 기초하여 기설정된 스위칭 모드를 선택하는 단계(S200)와, 상기 제어부(400)가 상기 선택된 스위칭 모드에 따라 상기 복수의 발열체(200)를 전원부(100)와 직렬 또는 병렬로 연결하거나 복수의 발열체(200) 중 선택되는 적어도 하나의 발열체에만 전원이 공급되도록 복수의 스위치를 제어하는 단계(S300)를 포함한다.
여기서 상기 전원부(100), 복수의 발열체(200) 및 복수의 스위치는 전술한 유체가열히터의 구동 제어장치에서와 동일하다.
이에 따라 본 발명의 일실시예에 따른 유체가열히터의 구동 제어방법은 우선 전원부(100)에 의해 전원이 공급되면 전압값(Vdc)이 측정된다(S100).
이러한 전압값은 제어부(400) 내 측정부가 구비되어 측정되거나 별도의 전압 측정수단에 의해 측정되어 제어부(400)로 전달되도록 구성될 수 있다.
이에 따라 제어부(400)는 측정된 전압값(Vdc)에 기초하여 해당 전압값(Vdc)에 따라 기설정된 스위칭 모드를 선택하게 되는데(S200), 이러한 스위칭 모드는 전술한 바와 같이 저전압 모드, 중전압 모드 및 고전압 모드로 구성된다.
이러한 제어부(400)의 스위칭 모드를 선택하는 과정을 살펴보면, 우선 제어부(400)가 전달받은 전압값(Vdc)이 기설정된 저전압 하위 임계값(Vref1)과 저전압 상위 임계값(Vref2) 사이인 경우 저전압 모드로 선택하고, 기설정된 저전압 상위 임계값(Vref2)과 고전압 하위 임계값(Vref3) 사이인 경우 중전압 모드로 선택하며, 기설정된 고전압 하위 임계값(Vref3)과 고전압 상위 임계값(Vref4) 사이인 경우 고전압 모드로 선택한다.
아울러 제어부(400)가 스위칭 모드를 선택하게 되면, 선택된 스위칭 모드에 따라 스위칭부(300) 즉, 제1스위치(310), 제2스위치(320) 및 제3스위치(330)의 온오프 제어를 제어부(400)가 수행한다(S300).
이에 따라 스위칭 모드별로 제어부(400)의 스위칭부(300) 제어 과정을 살펴보면, 상기 제어부(400)는 스위칭 모드가 저전압 모드이면 상기 제1스위치(310) 및 제2스위치(320)를 온시키고, 상기 제3스위치(330)는 오프시켜 상기 제1발열체(210) 및 제2발열체(220)가 상기 전원부(100)와 병렬 연결되도록 한다.
아울러 상기 제어부(400)는 스위칭 모드가 중전압 모드이면 상기 제1스위치(310) 및 제2스위치(320) 중 어느 하나를 온시키고, 다른 하나 및 상기 제3스위치(330)는 오프시켜 상기 제1발열체(210) 및 제2발열체(220) 중 선택되는 어느 하나만 상기 전원부(100)와 연결되도록 구성한다.
물론 이때 설정에 따라 제1발열체(210)와 제2발열체(220)가 교대로 전원부(100)와 연결되도록 제1스위치(310) 및 제2스위치(320)를 교대로 단속 제어할 수 있다.
또한 상기 제어부(400)는 스위칭 모드가 고전압 모드이면 상기 제1스위치(310) 및 제2스위치(320)를 오프시키고, 상기 제3스위치(330)는 온시켜 상기 제1발열체(210) 및 제2발열체(220)가 상기 전원부(100)와 직렬 연결되도록 구성한다.
한편 상기 S200단계에서 상기 제어부(400)는 측정된 전압값(Vdc)이 기설정된 저전압 하위 임계값(Vref1)보다 작은 경우 상기 전원부(100)의 전원 공급이 중지되도록 전원부(100)를 제어하고, 저전압 경고정보를 제공하여 별도의 출력 수단을 통해 외부로 출력되도록 할 수 있다.
여기서 출력 수단은 경고 데이터가 출력되는 디스플레이 수단이나 경보음을 출력하는 음성출력수단 등이 해당될 수 있다.
아울러 제어부(400)는 이와 반대로 전압값(Vdc)이 기설정된 고전압 상위 임계값(Vref4)보다 큰 경우에도 상기 전원부(100)의 전원 공급이 중지되도록 전원부(100)를 제어하고, 고전압 경고정보를 제공하여 출력 수단을 통해 출력되도록 한다.
도 11은 도 10에서 S200 단계와 S300 단계의 구체적인 과정을 일예로 나타낸 순서도이다.
도면을 참조하면, 이하에서 본 발명의 일실시예에 따른 유체가열히터의 구동 제어방법에서 스위칭 모드를 선택하는 단계(S200) 및 스위칭부(300)를 제어하는 단계(S300)를 보다 구체적으로 예시하도록 한다.
본 실시예에 따른 S200 단계는 우선 제어부(400)가 측정된 전압값(Vdc)이 고전압 상위 임계값(Vref4) 보다 큰지 여부를 판단하여(S210) 클 경우 전원부(100)의 인가 전압 공급을 중지하고 고전압 경고정보를 제공하며(S310), 작을 경우 전압값(Vdc)이 저전압 하위 임계값(Vref1) 보다 작은지 여부를 판단하게 된다(S220).
이에 따라 전압값(Vdc)이 저전압 하위 임계값(Vref1) 보다 작을 경우 전원부(100)의 전압 공급을 중지하고 저전압 경고정보를 제공하게 되며(S320), 클 경우 전압값(Vdc)이 고전압 하위 임계값(Vref3)과 같거나 크고 고전압 상위 임계값(Vref4) 보다 작은지 여부를 판단하여(S230), 그렇다면 스위칭 모드를 고전압 모드로 판단하고 스위칭부(300) 제어를 통해 제1발열체(210)와 제2발열체(220)가 서로 직렬 연결되도록 한다(S330).
아울러 그렇지 않다면 다시 전압값(Vdc)이 저전압 상위 임계값(Vref2)과 같거나 크고 고전압 하위 임계값(Vref3) 보다 작은지 여부를 판단하는데(S240), 만일 그렇다면 스위칭 모드를 중전압 모드로 판단하고, 제1발열체 또는 제2발열체 중 어느 하나만 전원부(100)와 연결되도록 스위칭부(300)를 제어한다.
아울러 그렇지 않은 경우에는 전압값(Vdc)은 당연히 저전압 하위 임계값(Vref1)과 같거나 크고 저전압 상위 임계값(Vref2) 보다 작을 것이므로 스위칭 모드를 저전압 모드로 판단하고(S250), 제1발열체(210)와 제2발열체(220)가 서로 병렬 연결되도록 스위칭부(300)를 제어한다(S350).
이와 같은 S200 단계에서의 구체적인 스위칭 모드 선택하는 과정은 그 선후가 변경될 수도 있으나, 해당 스위칭 모드로 판단된 경우 제어부(400)가 수행하는 후속 수행과정은 변경될 수 없음은 물론이다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정은 균등물들로 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주 되어야 할 것이다.
100 : 전원부 200 : 발열체
210 : 제1발열체 220 : 제2발열체
300 : 스위칭부 310 : 제1스위치
320 : 제2스위치 330 : 제3스위치
400 : 제어부
Vdc : 전압값 Vref1 : 저전압 하위 임계값
Vref2 : 저전압 상위 임계값 Vref3 : 고전압 하위 임계값
Vref4 : 고전압 상위 임계값

Claims (13)

  1. 전원을 공급하는 전원부;
    상기 전원부로부터 전원을 공급받아 유체를 가열하는 복수의 발열체;
    상기 전원부와 복수의 발열체 사이에 연결되어 전원을 단속하는 복수의 스위치를 포함하는 스위칭부; 및
    상기 복수의 스위치를 제어하고 상기 전원부의 전원 공급을 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 제어부는
    상기 전원부의 전압값에 기초하여 기설정된 스위칭 모드에 따라 복수의 발열체를 직렬 또는 병렬로 연결되도록 하거나 복수의 발열체 중 선택되는 적어도 하나의 발열체에만 전원이 공급되도록 상기 복수의 스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 유체가열히터의 구동 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 발열체는
    상기 전원부의 양극과 일단이 연결된 제1발열체 및
    상기 전원부의 음극과 일단이 연결된 제2발열체를 포함하고,
    상기 스위칭부는
    상기 제1발열체의 타단과 상기 전원부 음극 간에 연결된 제1스위치와,
    상기 제2발열체의 타단과 상기 전원부 양극 간에 연결된 제2스위치 및
    상기 제1발열체의 타단과 상기 제2발열체의 타단 간에 연결된 제3스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체가열히터의 구동 제어장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 전원의 전압값이 저전압 하위 임계값과 저전압 상위 임계값 사이인 경우 상기 제1스위치 및 제2스위치를 온시키고, 상기 제3스위치는 오프시키는 것을 특징으로 하는 유체가열히터의 구동 제어장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 전원의 전압값이 저전압 상위 임계값과 고전압 하위 임계값 사이인 경우 상기 제1스위치 및 제2스위치 중 어느 하나를 온시키고, 다른 하나 및 상기 제3스위치는 오프시키는 것을 특징으로 하는 유체가열히터의 구동 제어장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 전원의 전압값이 고전압 하위 임계값과 고전압 상위 임계값 사이인 경우 상기 제1스위치 및 제2스위치를 오프시키고, 상기 제3스위치는 온시키는 것을 특징으로 하는 유체가열히터의 구동 제어장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 전원의 전압값이 저전압 하위 임계값보다 작은 경우 상기 전원부의 전원 공급이 중지되도록 전원부를 제어하고, 저전압 경고정보를 제공하고,
    상기 전원의 전압값이 고전압 상위 임계값보다 큰 경우 상기 전원부의 전원 공급이 중지되도록 전원부를 제어하고, 고전압 경고정보를 제공하는 것을 특징으로 하는 유체가열히터의 구동 제어장치.
  7. 전원을 공급하는 전원부, 복수의 발열체와, 상기 전원부와 복수의 발열체 사이에 연결된 복수의 스위치를 포함하는 스위칭부 및 상기 복수의 스위치와 전원부를 제어하는 제어부를 포함하는 유체가열히터 구동 제어장치의 제어방법에 있어서,
    상기 제어부는,
    (a) 상기 전원부의 전압값을 측정하는 단계;
    (b) 상기 측정된 전압값에 기초하여 스위칭 모드를 선택하는 단계; 및
    (c) 상기 선택된 스위칭 모드에 따라 상기 복수의 발열체를 전원부와 직렬 또는 병렬로 연결하거나 복수의 발열체 중 선택되는 적어도 하나의 발열체에만 전원이 공급되도록 복수의 스위치를 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체가열히터 구동 제어장치의 제어방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 발열체는
    상기 전원부의 양극과 일단이 연결된 제1발열체 및
    상기 전원부의 음극과 일단이 연결된 제2발열체를 포함하고,
    상기 스위칭부는
    상기 제1발열체의 타단과 상기 전원부 음극 간에 연결된 제1스위치와,
    상기 제2발열체의 타단과 상기 전원부 양극 간에 연결된 제2스위치 및
    상기 제1발열체의 타단과 상기 제2발열체의 타단 간에 연결된 제3스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체가열히터 구동 제어장치의 제어방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 단계(b)에서 상기 전원의 전압값이 저전압 하위 임계값과 저전압 상위 임계값 사이인 경우 저전압 모드로 선택하고,
    저전압 상위 임계값과 고전압 하위 임계값 사이인 경우 중전압 모드로 선택하며,
    고전압 하위 임계값과 고전압 상위 임계값 사이인 경우 고전압 모드로 선택하는 것을 특징으로 하는 유체가열히터 구동 제어장치의 제어방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 단계(c)에서 상기 스위칭 모드가 저전압 모드이면 상기 제1스위치 및 제2스위치를 온시키고, 상기 제3스위치는 오프시키는 것을 특징으로 하는 유체가열히터 구동 제어장치의 제어방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 단계(c)에서 상기 스위칭 모드가 중전압 모드이면 상기 제1스위치 및 제2스위치 중 어느 하나를 온시키고, 다른 하나 및 상기 제3스위치는 오프시키는 것을 특징으로 하는 유체가열히터 구동 제어장치의 제어방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 단계(c)에서 상기 스위칭 모드가 중전압 모드이면 상기 제1스위치 및 제2스위치를 오프시키고, 상기 제3스위치는 온시키는 것을 특징으로 하는 유체가열히터 구동 제어장치의 제어방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 단계(b)에서 상기 전압값이 저전압 하위 임계값보다 작은 경우 상기 전원부의 전원 공급이 중지되도록 전원부를 제어하고, 저전압 경고정보를 제공하고,
    상기 전압값이 고전압 상위 임계값보다 큰 경우 상기 전원부의 전원 공급이 중지되도록 전원부를 제어하고, 고전압 경고정보를 제공하는 것을 특징으로 하는 유체가열히터 구동 제어장치의 제어방법.
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