KR20230109009A - 전기 자동차의 공조 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 공조 시스템이 냉방 모드로 작동 중에 배터리 냉각 모드로 진입할 경우 급격한 냉매 경로 변경으로 인해 냉방 성능이 일시적으로 저하되는 현상을 최소화할 수 있는 전기 자동차의 공조 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 전기 자동차용 공조 시스템 제어 방법은, 사용자의 온도 설정에 따라 냉방 또는 난방 모드를 판단하는 단계와; 냉방 모드로 판단되면 사용자의 온도 설정에 따른 목표 증발기온과 현재 증발기온의 차이가 오차 범위에 수렴될 때까지 압축기를 PID 제어하여 실내 냉방을 수행하는 단계와; 배터리 제어부로부터 배터리의 냉각 요청이 수신되었는지 여부를 판단하는 단계와; 배터리의 냉각 요청이 수신된 것으로 판단되면, 배터리 칠러로 향하는 팽창밸브를 개방하여 배터리 칠러를 통해 배터리의 냉각을 수행하는 동시에, 현재 PID 제어 중인 압축기의 RPM에 배터리의 냉각 부하에 상응하는 특정 보상 RPM 값을 추가하여 일정시간 동안 압축기의 PID 제어를 수행하는 단계와; 배터리의 냉각이 종료되면 상기 보상 RPM 값 적용 전의 원래의 압축기의 PID 제어 값으로 복귀하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 전기 자동차의 공조 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 공조 시스템이 냉방 모드로 작동 중에 배터리 냉각 모드로 진입할 경우 급격한 냉매 경로 변경으로 인해 냉방 성능이 일시적으로 저하되는 현상을 최소화할 수 있는 전기 자동차의 공조 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
주지된 바와 같이, 자동차 내에는 실내의 공기 온도를 조절하기 위한 공조 시스템이 갖추어져 있다. 이러한 자동차용 공조 시스템은 겨울철에는 온기를 발생시켜 실내를 따뜻하게 유지하고, 여름철에는 냉기를 발생시켜 실내를 시원하게 유지하도록 한다.
일반적인 자동차용 공조 시스템은 압축기, 응축기, 팽창밸브, 및 증발기가 냉매배관에 의해 순차적으로 연결되어 있으며, 엔진의 동력에 의해 압축기가 구동하면서 냉매가 순환한다. 이러한 자동차용 공조 시스템은 압축기에서 고온, 고압으로 압축된 냉매가스가 응축기를 통과하면서 주변의 공기와 열교환하여 액체상태의 냉매로 변환되고, 액화된 냉매는 응축기에 연결된 리시버 드라이어를 통과하면서 불순물이 제거된 후 팽창밸브를 통과하면서 저온의 기체로 변화된다. 그리고, 기화된 저온의 냉매는 증발기를 통과하면서 주변의 공기와 열교환하면서 냉각되고, 이 냉각된 공기는 송풍기에 의해 자동차 실내로 토출되며, 증발기를 통과한 저온 기체 상태의 냉매는 다시 압축기로 보내져 고온, 고압으로 압축되는 과정을 반복적으로 순환하게 된다.
한편, 최근에는 전기에너지를 동력원으로 이용하는 전기 자동차가 출시되고 있는데, 이러한 전기 자동차에 장착되는 공조 시스템은 배터리에서 공급되는 전원을 통해 물 또는 공기를 가열하여 자동차 실내의 난방을 수행하도록 구성됨에 따라 전기 자동차의 동력성능을 현저하게 저하시키는 단점이 있다.
이에 따라, 전기 자동차의 공조 시스템에는 기존의 내연기관 자동차와 유사하게 히트펌프 시스템을 적용하고 있는데, 이러한 히트펌프 시스템은 냉매의 압축-응축-감압-증발로 이루어지는 사이클을 가역적으로 적용하여 냉방과 난방을 겸하는 냉난방 겸용 시스템이다.
즉, 히트펌프 시스템은 액체 냉매가 증발기 내에서 증발하여 주위의 열을 빼앗아 기체가 되고, 다시 응축기에서 주위에 열을 방출하면서 액화되는 순환 사이클을 가지기 때문에, 이를 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차에 적용하면 기존 공조 시스템에 부족한 열원을 확보할 수 있다는 장점이 있다.
이와 같은 히트펌프 시스템을 적용한 종래의 전기 자동차용 공조 시스템은 냉매 회로의 일부가 자동차 실내에 위치하는 HVAC(Heating Ventilation Air Conditioning System) 모듈 내부에 구비된 증발기로 배관되어 증발기의 냉매와 이 주변을 이동하는 공기의 열교환을 통해 냉각공기를 얻게 된다.
그러나, 이와 같은 종래의 전기 자동차용 공조 시스템은 냉방 모드로 작동하는 중에 배터리 제어부(Battery Management System; BMS)로부터 배터리의 냉각 요청이 수신되면 배터리 칠러(Battery Chiller) 측에 설치된 팽창밸브를 개방하여 외부열교환기에서 열교환된 저온의 냉매를 배터리 칠러 측으로 공급함으로써 배터리를 냉각시키게 되는데, 이때, 배터리 칠러 측에 설치되는 팽창밸브가 개도량 조절이 불가능한 솔레노이드 방식의 팽창밸브일 경우에는, 배터리 냉각 모드로 진입하여 팽창밸브가 개방됨에 따라 외부열교환기에서 내부열교환기(증발기)로 향하는 냉매의 일부가 배터리 칠러 측으로 경로 변경됨으로써 실내 냉방 성능이 일시적으로 저하되는 현상이 발생하게 된다.
이와 같이 배터리의 냉각 모드 진입 시 발생하는 일시적인 냉방 성능 저하 현상을 방지하기 위해, 기존에는 압축기의 RPM을 PID(Proportional Integral Differential Control) 제어하거나, 또는 내부열교환기(증발기)에 설치된 전자식 팽창밸브(Electronic Expansion Valve; EEV)를 PID 제어하여 냉매의 유량을 높임으로써 냉방 성능이 일시적으로 저하되는 현상을 보상하려는 시도가 있었지만, 이와 같이 압축기나 전자식 팽창밸브를 PID 제어하여 저하된 냉방 성능을 보상해주는 방법은 물리적 한계가 따르는 문제가 있었고, 배터리 칠러 측에 개도량 조절이 가능한 전자식 팽창밸브를 설치하여 냉방 성능을 보상하려는 시도도 있었지만, 이러한 방법 또한 고가의 팽창밸브 설치로 인해 비용적 측면에서 많은 부담으로 작용하게 되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명에서 해결하고자 하는 기술적 과제는 공조 시스템이 냉방 모드로 작동 중에 배터리 냉각 요청이 들어오면, PID 제어 중인 압축기의 RPM 값에 배터리의 냉각 부하에 상응하는 보상 RPM 값을 추가하여 일정시간 동안 압축기의 PID 제어를 수행하도록 함으로써, 배터리 냉각 모드로 진입 시 급격한 냉매 경로의 변경으로 인해 실내 냉방 성능이 일시적으로 저하되는 현상을 방지할 수 있는 전기 자동차의 공조 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 데에 있다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 전기 자동차용 공조 시스템 제어 방법은, (a)사용자의 온도 설정에 따라 냉방 또는 난방 모드를 판단하는 단계와; (b)냉방 모드로 판단되면 사용자의 온도 설정에 따른 목표 증발기온과 현재 증발기온의 차이가 오차 범위에 수렴될 때까지 압축기를 PID 제어하여 실내 냉방을 수행하는 단계와; (c)배터리 제어부로부터 배터리의 냉각 요청이 수신되었는지 여부를 판단하는 단계와; (d) 배터리의 냉각 요청이 수신된 것으로 판단되면, 배터리 칠러로 향하는 팽창밸브를 개방하여 배터리 칠러를 통해 배터리의 냉각을 수행하는 동시에, 현재 PID 제어 중인 압축기의 RPM에 배터리의 냉각 부하에 상응하는 특정 보상 RPM 값을 추가하여 일정시간 동안 압축기의 PID 제어를 수행하는 단계와; (e) 배터리의 냉각이 종료되면 상기 (b) 단계의 압축기의 PID 제어 값으로 복귀하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 (a) 단계에서 난방 모드로 판단되면, 외기 온도가 설정 범위 내에 존재하는지 여부를 판단하는 단계(a-1)를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 (a-1) 단계로부터 외기 온도가 설정 범위 내에 존재하는 것으로 판단되면, 냉각수 전기히터와 압축기의 PID 제어를 동시에 수행하여 실내 난방을 수행하는 단계(a-2)를 더 포함할 수 있다.
상기 (d) 단계에서 추가되는 특정 보상 RPM 값은 배터리의 냉각 부하에 따른 일정한 비율 값으로 산출될 수 있다.
상기 팽창밸브는 솔레노이드 방식으로 온/오프(ON/OFF) 작동되는 팽창밸브로 구성될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 전기 자동차용 공조 시스템은, 냉매를 압축하여 토출하는 압축기와; 압축기로부터 배출되는 냉매를 공조 모드에 따라 외부열교환기로 전달하거나 내부열교환기로 전달하는 4방밸브와; 압축기 또는 내부열교환기로부터 전달되는 냉매를 자동차 외부의 공기와 열교환시키는 외부열교환기와; 외부열교환기에서 전달된 냉매를 HVAC 모듈 내부로 공급되는 공기와 열교환시키거나, 상기 압축기에서 배출된 냉매를 HVAC 모듈 내부로 공급되는 공기와 열교환시키는 내부열교환기와; 내부열교환기로 인입되거나 내부열교환기로부터 배출되는 냉매라인 상에 배치되고, 공조 모드에 따라 냉매를 팽창 가능하도록 마련되는 개도량 조절이 가능한 전자식 팽창밸브와; HVAC 모듈 내부에 설치되며 내부열교환기를 거쳐 토출되는 공기를 가열하는 냉각수 전기히터와; 외부열교환기와 HVAC 모듈 내의 내부열교환기 사이에 장착되고, 공조 모드에 따라 외부열교환기로부터 배출되는 냉매를 배터리와 열교환시킨 후 상기 압축기에 전달하도록 마련되는 배터리 칠러와; 외부열교환기에서 배터리 칠러 측으로 향하는 냉매의 흐름을 개폐하는 팽창밸브와; 공조 모드에 따라 상기 압축기와 냉각수 전기히터 및 팽창밸브를 제어하는 제어부;를 포함하며, 상기 제어부는, 공조 모드가 냉방 모드로 운용되는 경우 사용자의 온도 설정에 따른 목표 증발기온과 현재 증발기온의 차이가 오차 범위에 수렴될 때까지 압축기를 PID 제어하여 실내 냉방을 수행하되, 배터리 제어부로부터 배터리의 냉각 요청이 수신되면, 상기 배터리 칠러로 향하는 솔레노이드 방식의 팽창밸브를 개방하여 상기 배터리 칠러를 통해 배터리의 냉각을 수행하는 동시에, 현재 PID 제어 중인 압축기의 RPM에 배터리의 냉각 부하에 상응하는 특정 보상 RPM 값을 추가하여 일정시간 동안 압축기의 PID 제어를 수행하고, 배터리의 냉각이 종료되면 다시 원래의 압축기의 PID 제어 값으로 복귀하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
이 경우, 상기 배터리의 냉각시 압축기의 PID 제어에 추가되는 특정 보상 RPM 값은 배터리의 냉각 부하에 따른 일정한 비율 값으로 산출될 수 있다.
그리고, 상기 팽창밸브로는 솔레노이드 방식으로 온/오프(ON/OFF) 작동되는 팽창밸브로 적용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전기 자동차용 공조 시스템은, 외부열교환기와 인접하여 장착되고, 공조 모드에 따라 자동차에 탑재된 전장부품으로부터 발생되는 열을 흡수하여 전장품 라디에이터를 통해 방출하거나, 열을 흡수한 후 냉매/전장품냉각수 열교환기와 열교환을 수행하는 전장품 냉각회로부; 및 외부열교환기와 4방밸브 사이에 장착되고, 외부열교환기로부터 배출되는 냉매와 전장품 냉각수 유로를 통해 유동하는 냉각수를 서로 열교환시키는 냉매/전장품냉각수 열교환기;를 더 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 전기 자동차용 공조 시스템 및 그 제어방법에 따르면, 실내 공조와 배터리 냉각이 하나의 루프(Loop) 시스템에서 이루어지는 공조 시스템에서, 공조 시스템이 냉방 모드로 작동하는 중에 배터리 제어부로부터 배터리의 냉각 요청이 수신될 경우, 냉방 모드로 PID 제어 중인 압축기의 RPM 값에 배터리 냉각 부하에 상응하는 특정 보상 RPM 값을 추가하여 일정시간 동안 압축기의 고출력 PID 제어를 수행하도록 제어함으로써 배터리의 냉각 모드로 진입하는 과정에서 급격한 냉매 경로의 변경으로 인해 실내 냉방 성능이 일시적으로 저하되는 것을 보상해줄 수 있고, 이를 통해 실내 탑승객에게는 급격한 온도 변화로 인한 불쾌감이 없이 쾌적한 냉방 환경을 제공할 수 있는 장점이 있다.
또한, 배터리 칠러 측에 설치되는 팽창밸브를 개도량 조절이 가능한 고가의 전자식 팽창밸브(EEV)로 사용하지 않고, 솔레노이드 방식으로 온/오프(ON/OFF) 구동만 되는 저가의 팽창밸브를 사용하여, 압축기의 간단한 제어 로직만을 적용하여 배터리 냉각 모드 진입 시 발생되는 실내 냉방 성능 저하를 보상해줄 수 있기 때문에 공조 시스템의 구성비용을 절감시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전기 자동차용 공조 시스템의 구성을 보여주는 구성도.
도 2는 공조 시스템이 냉방 모드로 운용될 때의 냉매의 흐름을 보여주는 모식도.
도 3은 공조 시스템이 난방 모드로 운용될 때의 냉매의 흐름을 보여주는 모식도.
도 4는 공조 시스템이 냉방 모드 및 배터리 냉각 모드로 동시 운용될 때의 냉매의 흐름을 보여주는 모식도.
도 5는 본 발명에 따른 공조 시스템의 제어 방법을 보여주는 플로우 차트.
도 6은 공조 시스템이 냉방 모드로 작동될 경우 압축기의 PID 제어를 수식관계로 나타낸 다이어그램.
도 7은 공조 시스템이 냉방 모드로 작동 중에 배터리 냉각 모드로 진입될 경우 배터리 냉각 부하에 상응하는 특정 보상 RPM 값이 추가되어 압축기 PID 제어가 이루어지는 것을 수식관계로 나타낸 다이어그램.
도 2는 공조 시스템이 냉방 모드로 운용될 때의 냉매의 흐름을 보여주는 모식도.
도 3은 공조 시스템이 난방 모드로 운용될 때의 냉매의 흐름을 보여주는 모식도.
도 4는 공조 시스템이 냉방 모드 및 배터리 냉각 모드로 동시 운용될 때의 냉매의 흐름을 보여주는 모식도.
도 5는 본 발명에 따른 공조 시스템의 제어 방법을 보여주는 플로우 차트.
도 6은 공조 시스템이 냉방 모드로 작동될 경우 압축기의 PID 제어를 수식관계로 나타낸 다이어그램.
도 7은 공조 시스템이 냉방 모드로 작동 중에 배터리 냉각 모드로 진입될 경우 배터리 냉각 부하에 상응하는 특정 보상 RPM 값이 추가되어 압축기 PID 제어가 이루어지는 것을 수식관계로 나타낸 다이어그램.
아래에서는 첨부된 도면들을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 국한되지 않는다. 또한, 상세한 설명 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 의미함을 밝혀둔다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 전기 자동차의 공조 시스템 및 그 제어 방법에 대해 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전기 자동차용 공조 시스템의 전체 구성을 보여주는 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 전기 자동차용 공조 시스템(100)은, 특정 위치에 배치되어 특정 역할을 수행하는 압축기(110), 4방밸브(120), 외부열교환기(130), 내부열교환기(140), 전장품 냉각회로부(160), 제1팽창밸브(170), 배터리 칠러(190), 제2팽창밸브(191)와, 공조 모드에 따라 상기 압축기(110), 4방밸브(120), 냉각수 전기히터(104), 제1 및 제2팽창밸브(170, 191)를 각각 제어하는 제어부(Electric HVAC vehicle control unit, EHVCU)를 포함하여 구성된다.
압축기(110)는 냉매를 압축하여 토출하는 구성으로, 제어부를 통해 압축기(110)의 RPM을 PID 제어(Proportional Integral Differential Control)할 수 있는 전동식 압축기가 구비된다.
이러한 압축기(110)는 사용자에 의해 실내 온도 조절이 이루어질 경우, 제어부에서는 내부열교환기(140) 주변의 온도를 목표 온도(Target temperature)로 설정하여, 상기 설정된 목표 온도와 온도 센서로부터 측정된 현재 내부열교환기(140) 주변의 온도 차이가 기설정된 오차 범위 내에 수렴될 때까지 피드백(feedback) 제어를 통해 압축기(110)를 PID 제어함으로써 실내 냉방 또는 난방을 수행할 수 있다.
4방밸브(120)는 압축기(110)로부터 배출되는 냉매를 공조 모드에 따라 외부열교환기(130)로 전달하거나 내부열교환기(140)로 전달하는 구성으로, 제어부의 제어를 통해 냉매의 흐름을 특정 방향으로 유도할 수 있다.
외부열교환기(130)는 압축기(110) 또는 내부열교환기(140)로부터 전달되는 냉매를 자동차 외부의 공기와 열교환시키는 기능을 하고, 내부열교환기(140)는 외부열교환기(130)에서 전달된 냉매를 탑승객이 위치한 실내로 공급되는 공기와 열교환시키거나, 압축기(110)에서 배출된 냉매를 실내로 공급되는 공기와 열교환시키는 기능을 한다.
제1팽창밸브(170)는 내부열교환기(140)로 인입되거나 내부열교환기(140)로부터 배출되는 냉매라인 상에 배치되어, 제어부에서 전송되는 제어신호에 따라 작동되어 냉매를 팽창시킬 수 있다. 이때, 본 발명의 공조 시스템(100)에서 채용하고 있는 제1팽창밸브(170)로는 PID 제어에 의해 개도량 조절이 가능한 전자식 팽창밸브(Electronic Expansion Valve; EEV)가 사용된다.
전장품 냉각회로부(160)는 외부열교환기(130)와 인접하여 장착되고, 공조 모드에 따라 자동차에 탑재된 전장부품으로부터 발생되는 열을 흡수하여 외부로 배출하는 기능을 한다.
상기 전장품 냉각회로부(160)에는 외부열교환기(130)와 4방밸브(120) 사이에 장착되어 상기 외부열교환기(130)로부터 배출되는 냉매와 전장품 냉각수 유로(162)를 따라 유동하는 냉각수를 서로 열교환시키는 냉매/전장품냉각수 열교환기(161)가 구비된다.
전장품 냉각수 유로(162)는 냉매/전장품냉각수 열교환기(161)와 전장품 라디에이터(163)를 연결하는 하나의 냉각수 유동 통로를 형성하고 있으며, 전장품냉각수 바이패스 유로(167) 상에는 자동차에 탑재된 전장부품으로부터 발생되는 열을 흡수하는 전장품 냉각수단(164) 및 냉각수의 일방향 유동을 발생시키는 전장품 냉각수 순환펌프(165)가 장착되고, 전장품 냉각수 유로(162)와 전장품냉각수 바이패스 유로(167)의 교차 지점에는 전장품 냉각용 3방밸브(166)가 장착된다.
그리고, 전장품 라디에이터(163)는 외부열교환기(130)와 인접하게 장착되어 전장품 냉각수 유로(162)를 통해 유동하는 냉각수의 열을 방출시킨다. 이때, 경우에 따라 전장품 냉각회로부(160)를 이용하여 자동차에 탑재된 전장부품으로부터 발생되는 열을 흡수하여 전장품 라디에이터(163)만으로 방출시킬 수 있으며, 별도의 냉각팬(168)을 설치하여 방열을 촉진시킬 수 있다.
한편, 냉매의 흐름을 특정 방향으로 유도하는 4방밸브(120)는 제1포트(121), 제2포트(122), 제3포트(123) 및 제4포트(124)를 포함하여 구성된다.
구체적으로, 4방밸브의 제1포트(121)는 공조 모드에 관계없이 항상 압축기(120)로부터 배출된 냉매가 인입되는 냉매 유입구이며, 제2포트(122)는 공조 모드에 따라 제1포트(121) 또는 제3포트(123)에 선택적으로 연통되는 냉매 입출구로서, HVAC 모듈(101) 내부에 배치된 내부열교환기(140)와 연결된다.
그리고, 4방밸브의 제3포트(123)는 공조 모드에 따라 제2포트(122)와 제4포트(124)에 선택적으로 연통되는 냉매 출구로서, 냉매 흐름상 압축기(110)의 전단에 배치되는 중간열교환기(180)와 연결된다.
또한, 4방밸브의 제4포트(122)는 공조 모드에 따라 제1포트(121)와 제3포트(123)에 선택적으로 연통되는 냉매 입출구로서, 전장품 냉각회로부의 냉매/전장품냉각수 열교환기(111)와 연결된다.
아울러, 상기 4방밸브의 각 포트들은 제1포트(121)가 제2포트(122)와 연통된 경우에는 제3포트(123)는 제4포트(124)와 연통되고, 제1포트(121)가 제4포트(124)와 연통된 경우에는 제2포트(122)는 제3포트(123)와 연통된다.
이에 따라, 상기 4방밸브의 제1포트(121)가 제4포트(124)와 연통되는 경우에는 압축기(110)로부터 배출된 냉매를 전장품 냉각회로부(160)의 냉매/전장품냉각수 열교환기(161)로 전달하고, 제4포트(124)가 제3포트(123)와 연통되는 경우에는 전장품 냉각회로부의 냉매/전장품냉각수 열교환기(161)를 거쳐온 냉매를 냉매 흐름상 압축기(110)의 전단에 배치되는 중간열교환기(180)로 전달한다.
한편, 외부열교환기(130)와 내부열교환기(140) 사이를 연결하는 냉매라인 상에는 외부열교환기(130)로부터 배출되는 냉매가 분기되거나 합류되는 제1분기점(181)이 마련되고, 4방밸브(120)의 제3포트(123)와 압축기(110) 사이를 연결하는 냉매라인 상에는 4방밸브(120)를 거쳐 나온 냉매가 분기되거나 합류되는 제2분기점(182)이 마련된다.
이때, 상기 제2분기점(182)은 배터리 칠러(190)에서 나온 냉매의 과열도와 성능을 보다 증가시킬 수 있도록 중간열교환기(180) 이전 위치에 위치시키는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 제1분기점(181)과 제2분기점(182)을 연결하는 별도의 냉매분기라인 상에는 배터리 칠러(190)가 장착되며, 공조 모드에 따라 외부열교환기(130)로부터 배출된 냉매를 제2팽창밸브(191)로 유입시켜 배터리 칠러(190)에서 열교환을 통해 배터리를 냉각시킬 수 있다. 이 경우, 냉매가 배출되는 배터리 칠러(190)의 출구 측 배관라인 상에는 냉매의 역류를 방지하기 위한 체크밸브(192)가 장착될 수 있다.
중간열교환기(180)는 IHX(Intermediate Heat Exchanger)로도 약칭되는 구성으로서, 제1팽창밸브(170) 및 내부열교환기(140)를 통과하기 전의 냉매와 통과한 후의 냉매 간의 열교환을 위해 마련되는 구성이다.
이러한 중간열교환기(180)는 외부열교환기(130)와 내부열교환기(140) 사이를 연결하는 냉매라인의 제1분기점(181)과 외부열교환기(130) 사이에 장착되어, 공조 모드에 따라 외부열교환기(130)로부터 배출되는 냉매를 열교환시킨 후 내부열교환기(140)에 전달하거나, 내부열교환기(140)로부터 배출되는 냉매를 열교환시킨 후 외부열교환기(130)에 전달하게 된다.
이 경우, 상기 중간열교환기(180)는 제1팽창밸브(170) 측으로 냉매를 전달하는 외측관로와, 어큐뮬레이터(150)와 압축기(110) 측으로 냉매를 전달하는 내측관로를 포함하는 이중관 형태의 열교환기로 구성될 수 있다. 여기서 제1팽창밸브(170) 측에 연결된 외측관로에는 압력과 온도가 상대적으로 높은 냉매가 유동하며, 내측관로에는 압력과 온도가 상대적으로 낮은 냉매가 유동할 수 있다.
한편, HVAC 모듈(101)의 내부에는 냉각수 전기히터(104)에 의해 가열된 냉각수가 유입되는 히터 코어(103)가 장착된다. 상기 히터 코어(103)는 자동차 실내로 공급되는 공기 유로 내부에 장착되어, 공조 모드가 난방 모드, 제습 모드 또는 제상 모드일 경우 자동차 실내로 공급되는 공기에 열을 가하게 되며, 상기 히터 코어(103)로 공급되는 냉각수의 온도는 제어부에 의한 냉각수 전기히터(104)의 PID 제어를 통해 온도가 조절될 수 있다.
전장품 냉각회로부(160)는 히트펌프 시스템의 공조 모드가 난방 모드 또는 냉방 모드일 경우 작동하도록 제어되며, 냉매/전장품냉각수 열교환기(161)는 냉방 모드에서는 전장품 냉각수를 이용하여 수냉식 응축기로 작동되고, 난방 모드에서는 전장품에서 발생된 열을 흡수하는 증발기로 작동된다.
한편, 제어부는 공조 시스템(100)이 냉방 모드로 운용될 경우, 사용자가 온도조절장치를 통해 설정한 목표 증발기온과 온도 센서를 통해 측정된 현재 증발기온의 차이가 오차 범위에 수렴될 때까지 압축기(110)를 PID 제어함으로써 실내 냉방을 수행할 수 있다.
즉, 공조 시스템(100)이 냉방 모드로 작동될 경우 내부열교환기(140)는 증발기로서 기능을 하게 되며, 제어부에서는 사용자가 설정한 온도에 따라 내부열교환기(140)의 온도를 목표 증발기온으로 설정하고, 내부열교환기(140) 주변에 설치된 온도센서(미도시)를 통해 검출된 현재 증발기온과 상기 목표 증발기온의 차이가 기 설정된 오차 범위에 수렴될 때까지 압축기(110) RPM에 대한 PID 제어를 수행함으로써 실내 냉방을 수행하게 된다.
한편, 압축기(110)의 PID 제어에 의해 실내 냉방이 수행되는 중에 배터리(194)가 설정온도 이상으로 과열되어 배터리 제어부(Battery Management System; BMS)로부터 배터리(194)의 냉각 요청이 수신될 경우, 제어부는 제어신호를 전송하여 배터리 칠러(190) 측에 위치한 제2팽창밸브(191)를 개방하여 배터리 칠러(190)로 저온의 냉매가 공급되도록 함으로써 배터리 칠러(190)의 열교환 작용을 통해 배터리(194)의 냉각이 수행될 수 있다.
이 경우, 배터리 칠러(190)의 이전 위치에 설치되는 제2팽창밸브(191)는 전술된 제1팽창밸브(170)와는 달리 솔레노이드 방식으로 온/오프(ON/OFF) 개폐동작만 가능한 저가의 팽창밸브가 사용되기 때문에, 배터리 냉각 요청이 수신되어 제2팽창밸브(191)가 개방되면 외부열교환기(130)에서 내부열교환기(140)로 공급되는 냉매의 일부가 배터리 칠러(190) 측으로 유입되어 내부열교환기(140)로 향하는 냉매량이 급격하게 저하됨으로써 실내 냉방 성능이 일시적으로 저하되는 현상이 발생될 수 있다.
본 발명에서는 이를 보완하기 위해 냉방 모드로 작동 중에 배터리 냉각 요청이 들어와 배터리 냉각 모드로 진입하게 되는 경우, 제어부에서 제2팽창밸브(191)를 개방하여 배터리 냉각을 수행하는 동시에, 현재 PID 제어 중인 압축기(110)의 RPM에 배터리(194)의 냉각 부하(배터리 팩의 총 용량)에 상응하는 특정 보상 RPM 값, 즉 배터리(194)의 냉각부하를 보상할 수 있는 기설정된 특정 보상 RPM값을 추가하여 일정시간 동안 고출력으로 압축기(110)의 PID 제어를 수행하도록 제어함으로써 제2팽창밸브(191)의 개방 시 급격한 냉매 변경으로 인한 실내 냉방 성능 저하 현상을 보상해줄 수 있다.
이때, 상기와 같이 배터리 냉각 모드로 진입하게 되는 경우, 상기 배터리 제어부(BMS) 측에서 배터리(194) 냉각 부하를 보상할 수 있는 기설정된 보상 RPM값을 압축기(110) 측으로 전달하여, 추가된 보상 RPM값을 통해 일정시간 동안 고출력으로 압축기(110)의 PID 제어를 수행할 수도 있다.
그리고, 배터리(194)의 냉각이 종료되면, 제어부는 제2팽창밸브(191)를 닫아 냉매의 흐름을 내부열교환기(140) 측으로 유도하는 동시에 현재 제어 중인 압축기(110)의 PID 제어 값(RPM 값)을 다시 원 상태(냉방 모드로만 작동)로 복귀되도록 제어함으로써 냉매 경로 복귀에 따른 실내의 급격한 온도 저하를 방지하고, 압축기(110)의 고출력 구동에 다른 전력소모를 감소시킬 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 전기 자동차용 공조 시스템의 각 공조 모드에 대해서 상세히 설명하기로 한다.
도 2 내지 도 4에는 본 발명의 실시 예에 따른 전기 자동차용 공조 시스템의 냉방 모드, 난방 모드, 냉방 및 배터리 냉각 모드 시 각각의 냉매 흐름을 나타내는 냉매 순환 흐름도가 도시되어 있다.
먼저, 도 2에 도시된 냉방 모드의 경우에 대해 설명하기로 한다.
냉방 모드 시 냉매의 흐름은 "압축기(110) - 4방밸브(120) - 전장품 냉각회로부(160, 냉매/전장품냉각수 열교환기(161)가 수냉식 응축기로 기능) - 외부열교환기(130, 응축기로 기능) - 중간열교환기(180) - 내부열교환기(140, 증발기로 기능) - 4방밸브(120) - 어큐뮬레이터(150) - 압축기(110)" 순으로 유동하도록 제어된다.
냉방 모드에서 4방밸브(120)는 압축기(110)로부터 배출되는 냉매가 외부열교환기(130)로 인입되고, 내부열교환기(140)로부터 배출되는 냉매가 압축기(110)로 인입되도록 4방밸브(120)의 제1포트(121)가 제4포트(124)와 연통되고, 제2포트(122)는 제3포트(123)와 연통된다.
그리고, 내부열교환기(140)는 공조 모드에 따라 외부열교환기(130)에서 전달된 냉매를 자동차의 실내로 공급되는 공기와 열교환시키거나, 압축기(110)에서 배출된 냉매를 자동차 실내로 공급되는 공기와 열교환시키게 된다.
구체적으로, 내부열교환기(140)의 한쪽 포트는 공조 모드에 따라 HVAC 모듈(101) 내부로 유입된 공기로부터 열을 흡수한 냉매를 배출하거나, 자동차 실내로 공급되는 공기에 열을 제공하기 위한 냉매가 유입되는 통로로서 기능을 하고, 다른 한쪽 포트는 공조 모드에 따라 HVAC 모듈(101) 내부로 유입된 공기로부터 열을 흡수하는 냉매가 유입되거나, 자동차 실내로 공급되는 공기에 열을 제공한 냉매를 배출하는 통로로서 기능을 한다.
여기서, 공조 모드가 냉방 모드로 운용될 경우 내부열교환기(140)는 증발기로서 기능을 하게 되는데, 외부열교환기(130)로부터 전달된 냉매는 제1팽창밸브(170)에서 팽창된 후 저온 상태로 내부열교환기(140) 내부로 인입되어 자동차 실내로 공급되는 공기와 열교환된다.
어큐뮬레이터(150)는 중간열교환기(180)와 압축기(110) 사이에 장착되어, 내부열교환기(140)로부터 배출되는 냉매를 4방밸브(120)를 통해 흡수한 후 압축기(110)로 전달한다.
그리고, 전장품 냉각회로부(160)는 공조 모드가 냉방 모드인 경우 작동될 수 있으며, 이 경우 냉매/전장품냉각수 열교환기(161)는 전장품 냉각수를 이용하여 수냉식 응축기로 작동됨으로써, 냉매/전장품냉각수 열교환기(161) 내부의 냉매를 더욱 냉각시킬 수 있어, 냉방 성능을 향상시킬 수 있다.
여기서, 도 2에 나타낸 냉방 모드는 배터리 냉각이 필요하지 않은 외기온 조건에서의 운전 모드로서, 제2팽창밸브(191)는 폐쇄(Clsoe)시켜 중간열교환기(180)의 출구 측 냉매라인을 분기시킨 배터리 냉각 유로가 개방되지 않도록 하여, 배터리 칠러(190)로 냉매가 유동되지 않도록 한다.
다음으로, 도 3을 참조하여, 본 발명의 난방 모드에 대해 설명하기로 한다.
난방 모드일 경우, 냉매의 흐름은 "압축기(110) - 4방밸브(120) - 내부열교환기(140, 응축기로 기능) - 외부열교환기(130, 증발기로 기능) - 전장품 냉각회로부(160, 냉매/전장품냉각수 열교환기(161)가 증발기로 기능) - 4방밸브(120) - 어큐뮬레이터(150) - 압축기(110)" 순으로 유동하도록 제어될 수 있다.
4방밸브(120)는 압축기(110)로부터 배출되는 냉매가 내부열교환기(140)로 유입되고, 외부열교환기(130)로부터 배출되는 냉매가 압축기(110)로 유입되도록, 4방밸브(120)의 제1포트(121)가 제2포트(122)와 연통되고, 제3포트(122)는 제4포트(123)와 연통될 수 있다.
이와 같이 난방 모드로 운용될 경우에는, 내부열교환기(140)는 응축기로 기능하게 되는데, 압축기(110)로부터 배출된 냉매를 응축시켜 자동차 실내로 공급되는 공기와 열교환시킬 수 있도록, 압축기(110)로부터 배출된 냉매가 내부열교환기(140) 내부로 유입된다.
또한, 자동차 실내로 공급되는 공기에 열을 가할 수 있도록 냉각수 전기히터(104)를 작동시켜 난방 성능을 향상시킬 수 있다. 이때, 도 3에 나타낸 바와 같이 HVAC 모듈(101) 내에 히터 코어(103)를 배치하고, 히터 코어(103)를 순환하는 냉각수 라인을 구성하되, 냉각수 라인 상에 냉각수 전기히터(104), 펌프(105)와 냉각수 리저버 탱크(106)를 배치할 수 있다.
이 경우 어큐뮬레이터(150)는 전장품 냉각회로부(160)로부터 배출되는 냉매를 4방밸브(120)를 통해 흡수한 후 압축기(110)로 전달할 수 있다. 아울러, 전장품 냉각회로부(160)에서는 외부열교환기(130)로부터 배출된 냉매가 자동차에 탑재된 전장부품으로부터 발생되는 열을 열교환을 통해 흡수하고, 열을 흡수한 냉매는 4방밸브(120)를 통해 어큐뮬레이터(150)로 전달될 수 있다.
이와 같은 난방 모드가 작동되는 경우는 실외 온도가 낮은 동절기로서, 일반적인 경우에는 배터리를 냉각시킬 필요가 없으므로, 제2팽창밸브(191)을 폐쇄(Close)시켜 배터리 칠러(190) 측으로 냉매가 유동되지 않도록 한다.
이때, 배터리 자체나 주위의 이상으로 인해 배터리 냉각이 필요한 경우에는 배터리 냉각 동작만을 수행하는 배터리 냉각 모드로 전환하여 배터리 냉각을 수행하고, 난방은 냉각수 전기 히터(104)에 의해서만 수행할 수 있다.
또한, 자동차가 운행 중인 경우에는 전장품에서 열이 발생되고, 전장품 냉각회로부(160)에 냉매 유입시, 전장품 냉각회로부(160)의 냉매/전장품냉각수 열교환기(161)가 증발기로서 기능하게 되어, 냉매는 전장품에서 발생한 열을 흡수하여 상대적으로 보다 고온 상태에 도달하여 어큐뮬레이터(150) 및 압축기 측으로 유입되고, 이로써 내부열교환기(140)에서의 발열량이 증가되어 난방 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
한편, 공조 시스템(100)이 전술된 도 2와 같은 냉방 모드로 작동하다가 필요에 따라 도 3과 같은 난방 모드로 전환하여 작동하게 될 경우, 내부열교환기(140)는 냉방 모드에서 증발기로서 기능을 하다가 난방 모드에서는 응축기 역할로 변경되면서 내부열교환기(140)에 고여 있는 물방울(습기)이 증발되어 차량 유리창(Windshield)에 맺히게 되는 플래시 포깅(Flash-fogging) 현상을 발생시킬 수 있다.
이와 같이 4방밸브(120)를 이용하는 공조 시스템(100)의 경우 냉방 모드로 동작되다가 난방 모드로 전환될 경우에 내부열교환기(140)가 증발기 상태일 때 머금고 있던 수분이 증발하여 유리창에 맺히게 되는 플래시 포깅 현상이 발생되는 문제로 인해 기존에는 차량에 4방밸브(120)가 적용된 히트펌프 시스템을 적극적으로 적용할 수가 없었다.
그러나, 본 발명에서는 상기와 같이 4방밸브(120)가 적용된 히트 펌프 시스템에서 발생하는 플래시 포깅 현상을 해결하기 위하여, 내부열교환기(140)가 증발기로 사용되다가 사용자 또는 기타 동작 조건에 의해 응축기로 사용이 전환될 경우, 응축기로 사용되기 이전 단계나, 또는 배터리 리셋(Battery reset) 단계 시 '내부열교환기 건조 모드(Inner HEX dry mode)'라는 별도의 설정된 모드(mode)로 진입하여 내부열교환기(140)를 건조 시키는 동작을 수행할 수 있다.
상기 내부열교환기 건조 모드에서는, 예를 들어 1단계에서 HVAC 모듈(101) 내부에 위치한 히터 코어(103)를 구동시켜 일정시간 동안 내부열교환기(140)의 제습과 실내 난방을 수행할 수 있다. 이때, 상기 1단계에서는 HVAC 모듈(101) 내부에 구비된 블로워 팬(Blower fan; 102)을 2단 이상으로 구동하여 내부열교환기(140)의 제습작용을 보조할 수 있다. 그리고, 2단계에서는 난방 모드로 운용되는 압축기(110)를 최소 RPM으로 일정시간 동안 동작시켜 내부열교환기(140)의 잔여 수분을 제거할 수 있다.
이 경우, 공조 시스템(100)이 상기와 같은 내부열교환기 건조 모드로 작동되는 중에 사용자에 의해 디프로스트(DEF) 또는 에어컨(A/C) 모드(냉방 모드)로 조작될 경우나, 공조 시스템(100)의 오프(OFF) 시에 내부열교환기 건조 모드의 동작을 중지시킬 수 있다.
이와 같이 공조 시스템(100)이 냉방 모드에서 난방 모드로 전환되거나, 또는 배터리 리셋 시에 내부열교환기 건조 모드로 진입하여 내부열교환기(140)를 히터 코어(103)만으로 일정시간 동안 자연 건조시키는 1단계와, 히트펌프 모드(난방 모드)로 압축기(110)를 최소 RPM으로 일정시간 동작시켜 내부열교환기(140)의 잔여 수분을 제거하는 2단계를 거쳐, 내부열교환기(140)를 완전하게 건조시키고, 내부열교환기(140)의 건조작업이 모두 완료되면 난방 모드(히트펌프 모드)로 정상 작동되도록 운용함으로써, 차량의 유리창에 플래시 포깅이 발생하는 현상을 효과적으로 억제할 수 있다.
다음으로, 도 4를 참조하여, 본 발명에 따른 공조 시스템의 냉방 모드와 배터리 냉각 모드를 동시에 실시하는 경우에 대해 설명하기로 한다.
냉방 모드와 배터리 냉각 모드를 동시에 수행할 경우, 냉매의 흐름은 "압축기(110) - 4방밸브(120) - 전장품 냉각회로부(160, 냉매/전장품냉각수 열교환기(161)가 수냉식 응축기로 기능) - 외부열교환기(130, 응축기로 기능)- 중간열교환기(180) - 내부열교환기(140, 증발기로 기능) - 4방밸브(120) - 어큐뮬레이터(150) - 압축기(110)"순으로 유동하도록 제어되고, 중간열교환기(180)와 내부열교환기(140) 사이를 연결하는 냉매라인을 분기시켜 분기된 냉매의 일부가 제2팽창밸브(191)을 거쳐 배터리 칠러(190)로 유입되어 배터리를 냉각시키도록 할 수 있다.
여기서, 공조 시스템이 냉방 모드로 운용되는 경우 내부열교환기(140)는 증발기로서 기능을 하게 되며, 외부열교환기(130)로부터 전달된 냉매는 제1팽창밸브(170)을 통해 팽창된 후 실내열교환기(140) 내부로 유입되어 자동차 실내로 공급되는 공기와 열교환된다.
그리고, 중간열교환기(180)와 압축기(110) 사이에 장착된 어큐뮬레이터(150)는 내부열교환기(140)로부터 배출되는 냉매를 4방밸브(120)를 통해 전달받은 후 다시 압축기(110)로 전달하게 된다.
한편, 외부열교환기(130)로부터 배출된 냉매는 제2팽창밸브(191)를 통해 팽창되어 저온 상태가 된 이후 배터리 칠러(190)로 인입되어 배터리(194)를 순환하는 냉각수와 열교환을 통해 배터리(194)를 냉각시킨다.
이 경우, 배터리 칠러(190)와 열교환되는 배터리 냉난방 냉각수회로에는 냉각수 순환펌프(193), 배터리(194), 배터리 히터(195)가 순차적으로 배치되어 냉각수 순환이 이루어지며, 상기 배터리 칠러(190)는 증발기의 역할을 수행하게 된다.
이와 같이 외부열교환기(130)를 지나며 응축된 냉매는 제1팽창밸브(170)와 제2팽창밸브(191)을 거쳐 팽창하여 저온의 냉매로 내부열교환기(140)와 배터리 칠러(190)로 각각 유입됨으로써, HVAC 모듈(101)에 유입된 공기를 냉각시켜 실내 냉방을 수행하는 동시에, 배터리 칠러(190)에 유입된 저온 냉매의 열교환 작용에 의해 배터리(194)를 냉각시킬 수 있다. 그리고, 배터리 칠러(190)에서 열교환된 냉매는 내부열교환기(140)를 거쳐 4방밸브(120)를 지나온 냉매와 제2분기점(182)에서 합류하여 중간열교환기(181)로 유입된다.
이와 같이 냉방 모드가 작동되는 경우는 보통 실외 온도가 높은 하절기로서, 배터리(194)의 온도가 높아져 배터리 효율이 저하되기 때문에, 제2팽창밸브(191)를 개방하여 냉매를 유동시키되 냉매가 팽창되도록 하고, 팽창된 냉매가 증발기로 기능하는 배터리 칠러(190)를 지나면서 배터리 냉난방 냉각수회로의 냉각수를 냉각시키고, 이 냉각수가 배터리팩의 냉각플레이트로 순환되어 배터리팩이 과열되는 것을 방지할 수 있게 된다.
한편, 배터리의 냉각은 배터리(194)가 설정 온도 이상으로 과열되면 배터리 제어부(BMS)로부터 배터리 냉각 요청 신호가 수신되어 실내 냉방과 동시에 이루어질 수 있다. 즉, 공조 시스템(100)이 냉방 모드로 작동 중에 배터리 제어부로부터 배터리 냉각 요청이 수신될 경우 제어부는 제어신호를 송출하여 배터리 칠러(190) 측에 위치한 제2팽창밸브(191)를 개방하고 배터리 칠러(190)로 저온의 냉매를 공급하여 배터리 냉각을 수행한다.
이 경우, 배터리 칠러(190) 측에 위치하는 제2팽창밸브(191)는 내부열교환기(140) 측에 위치하는 개도량 조절이 가능한 전자식 제1팽창밸브(170)와 달리 솔레노이드 방식으로 온/오프(ON/OFF) 개폐 구동만이 가능하고 개도량 조절이 불가능한 팽창밸브가 사용되기 때문에, 배터리 냉각 모드로 진입하여 제2팽창밸브(191)가 개방되면 외부열교환기(130)에서 전달되는 냉매 유량의 일부가 배터리 칠러(190) 측으로 유입됨에 따라 내부열교환기(140) 측으로 향하는 냉매 유량이 일시적으로 감소되어 실내 냉방 성능이 일시적으로 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
이에 따라, 공조 시스템(100)이 냉방 모드로 운용되는 중에 배터리 냉각 요청이 수신되어 냉각 모드로 진입할 경우, 제어부에서는 제2팽창밸브(191)를 개방하여 배터리 칠러(190)를 통해 배터리 냉각을 수행하는 동시에, 현재 냉방 모드에서 PID 제어 중인 압축기(110)의 RPM 값에 배터리(194)의 냉각 부하에 상응하는 특정 보상 RPM 값을 추가하여 일정시간 동안 고출력으로 압축기(110)의 PID 제어를 수행함으로써 제2팽창밸브(191)의 개방 시 급격한 냉매 경로의 변경으로 인해 일시적으로 실내 냉방 성능이 저하되는 것을 보상해줄 수 있다.
그리고, 배터리의 냉각이 종료되면, 제어부는 제2팽창밸브(191)를 닫아 냉매의 흐름을 다시 내부열교환기(140) 측으로만 유도하게 되는데, 이 경우 배터리 냉각 모드에서 특정 보상 RPM 값이 적용된 상태로 압축기(110)가 고출력으로 작동됨에 따라 냉매량이 지속적으로 증가하여 실내 냉방이 과도하게 진행될 수 있다.
따라서, 제어부에서는 배터리의 냉각이 종료될 경우 현재 보상 RPM 값을 적용하여 고출력으로 PID 제어 중인 압축기(110)의 PID 제어 값을 원래의 상태(냉방 모드로만 작동되는 상태)로 복귀하도록 제어함으로써 증발기로 향하는 냉매량을 감소시켜 냉매 경로의 복귀에 따른 실내의 급격한 온도 저하 현상을 최소화할 수 있고, 아울러 압축기(110)의 고출력 구동에 다른 전력소모도 줄일 수 있다.
한편, 도 5는 본 발명에 따른 공조 시스템의 제어 방법을 나타내는 플로우 차트이다. 그리고, 도 6은 공조 시스템이 냉방 모드로만 작동될 때 압축기의 PID 제어를 수식관계로 나타낸 다이어그램이고, 도 7은 공조 시스템이 냉방 모드로 작동 중 배터리 냉각 모드로 진입하여 배터리의 냉각 부하에 상응하는 특정 보상 RPM 값이 추가된 상태로 압축기 RPM이 PID 제어되는 것을 수식관계로 나타낸 다이어그램이다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 공조 시스템의 제어 방법은, 먼저, 공조 시스템(100)의 제어부에서 현재의 공조 시스템(100)이 냉방 모드(AC ON) 또는 난방 모드(HEAT ON)로 작동 중인지를 판단한다.(S210)
여기서, 상기 (S210) 단계로부터 현재의 공조 시스템(100)이 난방 모드로 작동 중인 것으로 판단되면, 현재 차량의 외기온도가 설정범위 내에 존재하는지 여부를 판단한다.(S212)
이때, 만일 현재 외기온도가 설정범위를 벗어나 있으면 냉각수 전기히터(104)만을 PID 제어하여 실내 난방을 수행하게 되고(S214), 외기온도가 설정범위 내에 있으면 냉각수 전기히터(104)의 PID 제어(S214)와 병행하여 히트펌프의 압축기(110)를 PID 제어(S216)하여 실내 난방을 수행하게 된다.
한편, 상기 (S210) 단계로부터 현재의 공조 시스템(100)이 냉방 모드로 작동 중인 것으로 판단되면, 배터리 제어부(BMS)로부터 배터리의 냉각 요청이 수신되었는지 여부를 판단한다.(S220)
이때, 만일 배터리 냉각 요청이 수신되지 않았으면 사용자의 실내 온도설정에 따른 목표 증발기온과 현재 증발기온의 차이가 설정된 오차범위에 수렴될 때까지 압축기(110)를 PID 제어함으로써 실내 냉방을 수행하게 된다(S222). 이와 같이 공조 시스템(100)이 냉방 모드로만 작동될 경우의 압축기(110)의 PID 제어와 관련된 수식은 도 6에 도시된 다이어그램에 나타나 있다.
반면, 상기 (S220) 단계에서 배터리의 냉각 요청이 수신된 것으로 판단될 경우에는, 제어부는 제2팽창밸브(191)로 제어신호를 전송하여 제2팽창밸브(191)를 개방하고 저온의 냉매를 배터리 칠러(190)로 유입시켜 배터리의 냉각을 수행하는 동시에, 현재 냉방 모드로 PID 제어 중인 압축기(110)의 RPM 값에 배터리의 냉각 부하에 상응하는 특정 보상 RPM 값을 추가하여 일정시간 동안 고출력으로 압축기(110)의 PID 제어를 수행한다.(S230)
도 7에 도시된 다이어그램에서는 상기 (S230) 단계에서 배터리 냉각 모드로 진입 후 배터리 냉각 부하에 상응하는 특정 보상 RPM 값을 추가하여 압축기(110)를 PID 제어하는 수식관계가 나타나 있다.
이와 같이, 공조 시스템(100)이 냉방 모드로 작동 중에 배터리의 냉각 요청이 들어와 배터리 냉각 모드로 진입할 경우 제2팽창밸브(191)를 개방하여 배터리 칠러(190)를 통해 배터리 냉각을 수행하는 동시에, 현재 냉방 모드에서 PID 제어 중인 압축기(110)의 RPM 값에 배터리의 냉각 부하에 상응하는 특정 보상 RPM 값을 추가하여 고출력으로 일정시간 동안 압축기(110)의 PID 제어를 수행하도록 제어함으로써 내부열교환기(140) 측으로 향하는 냉매량을 일정시간 동안 증가시킬 수 있기 때문에 제2팽창밸브(191)의 개방에 따른 급격한 냉매 경로의 변경으로 인해 실내 냉방 성능이 일시적으로 저하되는 것을 효과적으로 보상해줄 수 있다.
그리고, 배터리 냉각이 종료되면, 제어부는 개방된 상태의 제2팽창밸브(191)를 폐쇄하여 냉매의 흐름을 다시 내부열교환기(140) 측으로 유도하는 동시에, 보상된 RPM 값으로 현재 PID 제어 중인 압축기(110)의 PID 제어 값(RPM 값)을 다시 원 상태(냉방 모드로만 작동되는 상태)로 복귀하도록 제어함으로써, 냉매 경로의 원상 복귀로 인한 차량 실내의 급격한 온도 저하를 방지할 수 있으며, 압축기(110)의 일시적인 고출력 구동으로 인한 전력소모를 줄일 수 있다.
본 발명과 관련한 실제 실험에서는 공조 시스템(100)이 냉방 모드로 작동 중인 상황에서 배터리 냉각 모드로 진입할 경우, 급격한 냉매 경로의 변경으로 인해 차량 실내로 토출되는 공기의 온도 변화량이 약 10ㅀ도 가량 일시적으로 저하되는 현상이 발생하였으나, 본 발명의 공조 시스템 제어 방법을 적용할 경우에 토출 공기의 온도 변화량이 5ㅀ미만으로 저하되는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 배터리 냉각이 종료되는 시점에 현재 고출력으로 제어 중인 압축기(110)의 PID 제어 값(RPM 값)이 다시 원 상태(냉방 모드로만 작동되는 상태)의 제어 값으로 복귀됨으로써 실내 토출 공기 온도가 과도하게 저하되지 않는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이, 차량의 공조 시스템이 냉방 모드로 작동되는 중에 배터리 냉각 요청이 들어와 배터리 냉각 모드로 진입되는 초기 시점에, 현재 냉방 모드로 PID 제어 중인 압축기(110)의 RPM 값에 배터리 냉각 부하(배터리팩의 총 용량)에 상응하는 특정 보상 RPM 값을 추가하여 고출력으로 압축기(110)의 PID 제어를 수행하도록 제어함으로써, 배터리 냉각 모드로 진입 시에 급격한 냉매 경로 변경으로 인해 실내 냉방 성능이 일시적으로 저하되는 현상을 최소화할 수 있고, 이를 통해 실내 탑승객에게는 실내 냉방 온도 저하로 인한 불쾌감이 없는 쾌적한 실내 환경을 조성할 수 있다.
아울러, 배터리의 냉각이 종료되는 시점에 현재 보상된 RPM 값으로 고출력으로 PID 제어 중인 압축기(110)의 PID 제어 값을 원 상태로 복귀하도록 제어함으로써, 냉매 경로의 복귀로 인한 차량 실내의 급격한 온도 저하를 방지할 수 있고, 압축기(110)의 고출력 구동으로 인한 전력소모를 줄일 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이같은 특정 실시 예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다
100 : 공조 시스템
101 : HVAC 모듈
102 : 블로워 팬 103 : 히터 코어
104 : 냉각수 전기히터 110 : 압축기
120 : 4방밸브 130 : 외부열교환기
140 : 내부열교환기 150 : 어큐뮬레이터
160 : 전장품 냉각회로부 170 : 제1팽창밸브
180 : 중간열교환기 190 : 배터리 칠러
191 : 제2팽창밸브 194 : 배터리
102 : 블로워 팬 103 : 히터 코어
104 : 냉각수 전기히터 110 : 압축기
120 : 4방밸브 130 : 외부열교환기
140 : 내부열교환기 150 : 어큐뮬레이터
160 : 전장품 냉각회로부 170 : 제1팽창밸브
180 : 중간열교환기 190 : 배터리 칠러
191 : 제2팽창밸브 194 : 배터리
Claims (9)
- (a) 사용자의 온도 설정에 따라 냉방 또는 난방 모드를 판단하는 단계;
(b) 냉방 모드로 판단되면 사용자의 온도 설정에 따른 목표 증발기온과 현재 증발기온의 차이가 오차 범위에 수렴될 때까지 압축기를 PID 제어하여 실내 냉방을 수행하는 단계;
(c) 배터리 제어부로부터 배터리의 냉각 요청이 수신되었는지 여부를 판단하는 단계;
(d) 배터리의 냉각 요청이 수신된 것으로 판단되면, 배터리 칠러로 향하는 팽창밸브를 개방하여 배터리 칠러를 통해 배터리의 냉각을 수행하는 동시에, 현재 PID 제어 중인 압축기의 RPM에 배터리의 냉각 부하에 상응하는 특정 보상 RPM 값을 추가하여 일정시간 동안 압축기의 PID 제어를 수행하는 단계;
(e) 배터리의 냉각이 종료되면 상기 (b) 단계의 압축기의 PID 제어 값으로 복귀하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 공조 시스템 제어 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 (a) 단계에서 난방 모드로 판단되면, 외기 온도가 설정 범위 내에 존재하는지 여부를 판단하는 단계(a-1)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 공조 시스템 제어 방법.
- 제2항에 있어서, 상기 (a-1) 단계로부터 외기 온도가 설정 범위 내에 존재하는 것으로 판단되면, 냉각수 전기히터와 압축기의 PID 제어를 동시에 수행하여 실내 난방을 수행하는 단계(a-2)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 공조 시스템 제어 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 (d) 단계에서 추가되는 특정 보상 RPM 값은 배터리의 냉각 부하에 따른 일정한 비율 값으로 산출되는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 공조 시스템 제어 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 팽창밸브는 솔레노이드 방식으로 온/오프(ON/OFF) 작동되는 팽창밸브인 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 공조 시스템 제어 방법.
- 냉매를 압축하여 토출하는 압축기;
상기 압축기로부터 배출되는 냉매를 공조 모드에 따라 외부열교환기로 전달하거나 내부열교환기로 전달하는 4방밸브;
상기 압축기 또는 내부열교환기로부터 전달되는 냉매를 자동차 외부의 공기와 열교환시키는 외부열교환기;
상기 외부열교환기에서 전달된 냉매를 HVAC 모듈 내부로 공급되는 공기와 열교환시키거나, 상기 압축기에서 배출된 냉매를 HVAC 모듈 내부로 공급되는 공기와 열교환시키는 내부열교환기;
상기 내부열교환기로 인입되거나 내부열교환기로부터 배출되는 냉매라인 상에 배치되고, 공조 모드에 따라 냉매를 팽창 가능하도록 마련되는 개도량 조절이 가능한 전자식 팽창밸브;
상기 HVAC 모듈 내부에 설치되며 상기 내부열교환기를 거쳐 토출되는 공기를 가열하는 냉각수 전기히터;
외부열교환기와 HVAC 모듈 내의 내부열교환기 사이에 장착되고, 공조 모드에 따라 외부열교환기로부터 배출되는 냉매를 배터리와 열교환시킨 후 상기 압축기에 전달하도록 마련되는 배터리 칠러;
상기 외부열교환기에서 배터리 칠러 측으로 향하는 냉매의 흐름을 개폐하는 팽창밸브;
공조 모드에 따라 상기 압축기와 냉각수 전기히터 및 팽창밸브를 제어하는 제어부;를 포함하며,
상기 제어부는,
공조 모드가 냉방 모드로 운용되는 경우 사용자의 온도 설정에 따른 목표 증발기온과 현재 증발기온의 차이가 오차 범위에 수렴될 때까지 압축기를 PID 제어하여 실내 냉방을 수행하되,
배터리 제어부로부터 배터리의 냉각 요청이 수신되면, 상기 배터리 칠러로 향하는 솔레노이드 방식의 팽창밸브를 개방하여 상기 배터리 칠러를 통해 배터리의 냉각을 수행하는 동시에, 현재 PID 제어 중인 압축기의 RPM에 배터리의 냉각 부하에 상응하는 특정 보상 RPM 값을 추가하여 일정시간 동안 압축기의 PID 제어를 수행하고, 배터리의 냉각이 종료되면 다시 원래의 압축기의 PID 제어 값으로 복귀하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 공조 시스템.
- 제6항에 있어서, 상기 배터리의 냉각시 압축기의 PID 제어에 추가되는 특정 보상 RPM 값은 배터리의 냉각 부하에 따른 일정한 비율 값으로 산출되는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 공조 시스템.
- 제6항에 있어서, 상기 팽창밸브는 솔레노이드 방식으로 온/오프(ON/OFF) 작동되는 팽창밸브인 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 공조 시스템.
- 제6항에 있어서, 상기 외부열교환기와 인접하여 장착되고, 공조 모드에 따라 자동차에 탑재된 전장부품으로부터 발생되는 열을 흡수하여 전장품 라디에이터를 통해 방출하거나, 열을 흡수한 후 냉매/전장품냉각수 열교환기와 열교환을 수행하는 전장품 냉각회로부; 및
상기 외부열교환기와 4방밸브 사이에 장착되고, 외부열교환기로부터 배출되는 냉매와 전장품 냉각수 유로를 통해 유동하는 냉각수를 서로 열교환시키는 냉매/전장품냉각수 열교환기;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 공조 시스템.
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|---|---|---|---|
| KR1020220004864A KR20230109009A (ko) | 2022-01-12 | 2022-01-12 | 전기 자동차의 공조 시스템 및 그 제어 방법 |
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|---|---|---|---|
| KR1020220004864A KR20230109009A (ko) | 2022-01-12 | 2022-01-12 | 전기 자동차의 공조 시스템 및 그 제어 방법 |
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102183499B1 (ko) | 2020-04-22 | 2020-11-26 | 에스트라오토모티브시스템 주식회사 | 자동차용 히트 펌프 시스템 |
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Patent Citations (1)
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