WO2023096292A1 - 전기 자동차의 공조 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to an air conditioning system for an electric vehicle and a method for controlling the same, and more particularly, in an air conditioning system to which a four-way valve is applied, when operating in a cooling mode and then switching to a heating mode, an internal heat exchanger acting as an evaporator functions as a condenser.
- the present invention relates to an air conditioning system for an electric vehicle capable of preventing flash fogging on a windshield due to evaporation of moisture accumulated in an internal heat exchanger while being changed, and a method for controlling the same.
- an air conditioning system for regulating indoor air temperature is provided in automobiles.
- Such an air conditioning system for automobiles keeps the interior warm by generating warmth in winter and cools the interior by generating cool air in summer.
- a compressor, a condenser, an expansion valve, and an evaporator are sequentially connected by refrigerant pipes, and the refrigerant circulates while the compressor is driven by engine power.
- refrigerant gas compressed at high temperature and high pressure in a compressor passes through a condenser, exchanges heat with the surrounding air, and is converted into a liquid refrigerant.
- the liquefied refrigerant passes through a receiver dryer connected to the condenser to remove impurities.
- the vaporized low-temperature refrigerant passes through the evaporator and is cooled while exchanging heat with the surrounding air. , the process of being compressed at high pressure is repeatedly cycled.
- An air conditioning system installed in such electric vehicles is configured to heat water or air through power supplied from a battery to heat the interior of the vehicle.
- a heat pump system is applied to the air conditioning system of an electric vehicle, similar to a conventional internal combustion engine vehicle.
- This heat pump system reversibly applies a cycle consisting of compression-condensation-decompression-evaporation of refrigerant to provide cooling and heating It is a combined heating and cooling system.
- the heat pump system has a circulation cycle in which the liquid refrigerant evaporates in the evaporator, takes heat from the surroundings, becomes a gas, and then liquefies while releasing heat to the surroundings in the condenser. It has the advantage of being able to secure a heat source that is lacking in the air conditioning system.
- a part of the refrigerant circuit is piped to an evaporator provided inside a HVAC (Heating Ventilation Air Conditioning System) module located inside the vehicle, and the refrigerant of the evaporator and the surroundings are moved. Cooling air is obtained through heat exchange of the air.
- HVAC Heating Ventilation Air Conditioning System
- a heat pump system with a 4-way valve that can guide the flow of refrigerant in a specific direction through control is a basic heat pump system that is widely used in homes and industries.
- the heat pump system When the heat pump system is applied to a passenger vehicle, when the air conditioning mode is operated in cooling mode and then converted to heating mode by driver's manipulation or other set conditions, the internal heat exchanger functioning as an evaporator is changed to a condenser function, and the internal heat exchanger functions as an evaporator. In this state, the moisture contained in the vehicle evaporates, causing a flash fogging phenomenon that forms on the windshield of the vehicle like fog.
- Flash fogging that occurs when the air conditioning mode is switched from cooling mode to heating mode in a heat pump system with a 4-way valve is not a big problem when the heat pump system is used for home or industrial purposes.
- the heat pump system When the heat pump system is mounted on a vehicle and used, it causes flash fogging on the windshield of the vehicle in motion, obscuring the driver's view while driving, resulting in a serious safety accident. Accordingly, there is an urgent need for a new method capable of suppressing flash fogging occurring on the windshield of the vehicle while applying the heat pump system to which the four-way valve is applied to the vehicle.
- Patent Document 1 Republic of Korea Patent Publication No. 2007-0039282 (2007.04.11)
- the present invention has been made to solve the above conventional problems, and the technical problem to be solved in the present invention is to operate in a cooling mode in an air conditioning system to which a four-way valve is applied and then switch to a heating mode, which acts as an evaporator. It is an object of the present invention to provide an air conditioning system and a control method for an electric vehicle capable of preventing a flash fogging phenomenon in which moisture accumulated in the internal heat exchanger is evaporated and formed on the windshield of a vehicle when the internal heat exchanger is changed to a condenser role.
- a control method of an air conditioning system for an electric vehicle includes the steps of (a) determining whether a current air conditioning mode is set to a cooling mode or a heating mode; (b) determining whether a request to enter the internal heat exchanger drying mode has been received when the current air conditioning mode is set to the heating mode; (c) if a request to enter the internal heat exchanger drying mode is received, entering the internal heat exchanger drying mode and performing a drying operation of the internal heat exchanger for a set time; (d) operating in a set normal heating mode when the drying operation of the internal heat exchanger is completed.
- step (c) after entering the internal heat exchanger drying mode in step (c), in the first step, the heater core and the blower fan inside the HVAC module are operated for a certain period of time to dehumidify the internal heat exchanger and heat the room, and in the second step, the compressor can be operated for a certain period of time at the set minimum RPM to remove residual moisture in the internal heat exchanger.
- step (a) if it is confirmed in the step (a) that the current air conditioning mode is set to the heating mode, step (a-1) of determining whether the outdoor temperature is within the set range may be additionally performed.
- step (b) is entered to determine whether or not a request to enter the internal heat exchanger drying mode has been received, and if the outside temperature does not exist within the set range. If not, it can enter the step (d) and operate in the set normal heating mode.
- step (c) when the defrosting mode or the cooling mode is changed by a user's operation or set conditions, or when the air conditioning system is turned off, the drying operation of the internal heat exchanger is performed. can stop
- the drying operation of the internal heat exchanger may be performed by entering the internal heat exchanger drying mode of step (c).
- step (a) it is confirmed that the current air conditioning mode is set to the cooling mode, and step (e) of determining whether or not a position conversion to the heating mode has occurred while operating in the set normal cooling mode is additionally performed. It can be.
- step (e) whether or not the position conversion to the heating mode has occurred in step (e) can be determined by whether or not the position conversion of the 4-way valve has occurred.
- the internal heat exchanger drying mode of the step (c) is entered, the drying operation of the internal heat exchanger is performed, and the position change to the heating mode is performed. If it is determined that it does not occur, it may operate in a set normal cooling mode.
- an air conditioning system for an electric vehicle includes a compressor for compressing and discharging a refrigerant; a four-way valve for transferring the refrigerant discharged from the compressor to an external heat exchanger or an internal heat exchanger according to an air conditioning mode; an external heat exchanger for exchanging heat between the refrigerant transferred from the compressor or the internal heat exchanger and air outside the vehicle; an internal heat exchanger for exchanging heat between the refrigerant transferred from the external heat exchanger and air supplied to the HVAC module, or exchanging heat with the air supplied to the HVAC module and the refrigerant discharged from the compressor; a heater core installed around the internal heat exchanger to supply cooling water heated by a cooling water electric heater and heating air discharged through the internal heat exchanger; a blower fan installed inside the HVAC module and blowing air to the internal heat exchanger; and a controller that controls the compressor, the cooling water electric heater, and the blower fan according to the air conditioning mode, wherein the controller, when the current air conditioning mode is set to the heating
- control unit After entering the internal heat exchanger drying mode, the control unit operates the heater core and the blower fan inside the HVAC module for a certain period of time in the first step to control the internal heat exchanger to dehumidify and heat the room, and in the second step, the compressor is operated. It can be controlled to remove residual moisture in the internal heat exchanger by operating for a certain period of time at the set minimum RPM.
- the control unit stops the drying operation of the internal heat exchanger when the defrost mode or the cooling mode is changed by a user's manipulation or a set condition while the internal heat exchanger is being dried, or when the air conditioning system is turned off. You can control it.
- control unit may enter an internal heat exchanger drying mode when the battery is reset and perform a drying operation of the internal heat exchanger.
- control unit enters the internal heat exchanger drying mode and controls the internal heat exchanger to perform a drying operation. If it is determined, it can be controlled to operate in the set normal cooling mode.
- the internal heat exchanger when the air conditioning system operates in a cooling mode and then switches to a heating mode, the internal heat exchanger enters the drying mode before entering the heating mode, and the blower is the first step.
- the internal heat exchanger dehumidifies and heats the room for a certain period of time using only a fan and a coolant heater, and in the second step, the heat pump is operated at minimum RPM for a certain period of time to completely remove the remaining moisture in the internal heat exchanger, so that the air conditioning system changes from the cooling mode to the heating mode. It is possible to prevent a flash fogging phenomenon that occurs on the windshield of a vehicle when switching to a vehicle, and through this, there is an effect of providing safety during vehicle driving.
- the existing vehicle heat pump system uses a 3-way valve instead of a 4-way valve, and as a modified form of heat pump system is applied to the vehicle, dedicated parts according to the use of the 3-way valve This must be added, and the number of valves used in the heat pump is relatively increased, complicating the configuration of the heat pump system and increasing mass production costs.
- the air conditioning system and control method of the present invention are applied to existing vehicles It can be possible to mass-produce a heat pump system with a four-way valve, which was difficult to apply to a heat pump system, by applying it to a vehicle.
- the heat pump system Since the heat pump system has a simple structure by applying a four-way valve, the heat pump system inside the vehicle The degree of freedom of layout according to mounting can be improved, and the number of parts installed in the heat pump system can be reduced, thereby reducing the mass production cost of the vehicle.
- the air conditioning power consumption was as high as 6.819 kwh based on the low-temperature mileage certification test for electric vehicles in Korea.
- the control logic for preventing flash fogging of the present invention is used, the drying operation of the internal heat exchanger is performed by selectively entering the internal heat exchanger drying mode according to the judgment conditions, so that the domestic electric vehicle low-temperature mileage certification test standard air conditioning power consumption is reduced. It is reduced to about 5.111 kwh, and has an effect of reducing power consumption by about 25%.
- FIG. 1 is a configuration diagram showing the configuration of an air conditioning system for an electric vehicle according to the present invention.
- Figure 2 is a schematic diagram showing the flow of refrigerant when the air conditioning system is operated in a cooling mode.
- Figure 3 is a schematic diagram showing the flow of refrigerant when the air conditioning system is operated in a heating mode.
- Figure 4 is a schematic diagram showing the flow of refrigerant when the air conditioning system is simultaneously operated in a cooling mode and a battery cooling mode.
- FIG. 5 is a conceptual diagram illustrating a flash fogging phenomenon that occurs when an air conditioning system operates in a heating mode after operating in a cooling mode;
- FIG. 6 is a flow chart showing a control method of an air conditioning system according to the present invention.
- FIG. 1 is a configuration diagram showing the overall configuration of an air conditioning system for an electric vehicle according to an embodiment of the present invention.
- an air conditioning system 100 for an electric vehicle includes a compressor 110 disposed at a specific location and performing a specific role, a 4-way valve 120, and an external heat exchanger 130 ), the internal heat exchanger 140, the electric appliance cooling circuit part 160, the first expansion valve 170, the battery chiller 190, the second expansion valve 191, and the compressor 110 according to the air conditioning mode, It is configured to include a control unit (Electric HVAC vehicle control unit, EHVCU) that controls the valve 120, the cooling water electric heater 104, and the first and second expansion valves 170 and 191, respectively.
- EHVCU Electric HVAC vehicle control unit
- the compressor 110 compresses and discharges the refrigerant, and includes an electric compressor capable of controlling the RPM of the compressor 110 via PID (Proportional Integral Differential Control) through a controller.
- PID Proportional Integral Differential Control
- the control unit sets the temperature around the internal heat exchanger 140 as a target temperature, and the set target temperature and the current internal heat exchanger measured from the temperature sensor (140) Indoor cooling or heating may be performed by PID controlling the compressor 110 through feedback control until the ambient temperature difference converges within a preset error range.
- the four-way valve 120 transfers the refrigerant discharged from the compressor 110 to the external heat exchanger 130 or to the internal heat exchanger 140 according to the air conditioning mode, and specifies the flow of the refrigerant through the control of the controller. direction can be induced.
- the external heat exchanger 130 functions to heat exchange the refrigerant transferred from the compressor 110 or the internal heat exchanger 140 with air outside the vehicle, and the internal heat exchanger 140 transfers the refrigerant transferred from the external heat exchanger 130 It serves to exchange heat with air supplied to the room where the occupant is located, or to exchange heat with the air supplied to the room with the refrigerant discharged from the compressor 110.
- the first expansion valve 170 may be disposed on a refrigerant line drawn into or discharged from the internal heat exchanger 140 and operated according to a control signal transmitted from the controller to expand the refrigerant. At this time, as the first expansion valve 170, an electronic expansion valve (EEV) capable of adjusting the amount of opening by PID control may be used.
- EEV electronic expansion valve
- the electrical component cooling circuit unit 160 is mounted adjacent to the external heat exchanger 130 and functions to absorb heat generated from electrical components installed in the vehicle and discharge it to the outside according to the air conditioning mode.
- the electrical component cooling circuit part 160 is installed between the external heat exchanger 130 and the 4-way valve 120 to transfer the refrigerant discharged from the external heat exchanger 130 and the cooling water flowing along the electrical component cooling water passage 162 to each other.
- a refrigerant/electrical cooling water heat exchanger 161 for exchanging heat is provided.
- the electrical component cooling water passage 162 forms one coolant flow passage connecting the refrigerant/electric component cooling water heat exchanger 161 and the electrical component radiator 163, and the electrical component installed in the vehicle is on the electrical component cooling water bypass passage 167.
- An electrical component cooling means 164 for absorbing heat generated from the electrical component and an electrical component cooling water circulation pump 165 generating a one-way flow of the cooling water are mounted, and the intersection point of the electrical component cooling water passage 162 and the electrical component cooling water bypass passage 167 A three-way valve 166 for cooling electrical components is installed.
- the electrical component radiator 163 is mounted adjacent to the external heat exchanger 130 and discharges heat of the cooling water flowing through the electrical component cooling water passage 162 .
- heat generated from electric components mounted in the vehicle can be absorbed by using the electric component cooling circuit unit 160 and released only through the electric component radiator 163, and a separate cooling fan 168 is installed to dissipate heat. can promote
- the four-way valve 120 for inducing the flow of refrigerant in a specific direction is configured to include a first port 121, a second port 122, a third port 123, and a fourth port 124. .
- the first port 121 of the four-way valve is a refrigerant inlet through which the refrigerant discharged from the compressor 120 is always introduced regardless of the air conditioning mode
- the second port 122 is the first port ( 121) or a refrigerant inlet and outlet selectively communicated with the third port 123, and is connected to the internal heat exchanger 140 disposed inside the HVAC module 101.
- the third port 123 of the four-way valve is a refrigerant outlet that selectively communicates with the second port 122 and the fourth port 124 according to the air conditioning mode, and is disposed at the front end of the compressor 110 on the refrigerant flow. It is connected to the intermediate heat exchanger 180.
- the fourth port 122 of the four-way valve is a refrigerant inlet and outlet that selectively communicates with the first port 121 and the third port 123 according to the air conditioning mode, and the refrigerant/electrical cooling water heat exchanger of the electrical component cooling circuit ( 111) are connected.
- each port of the four-way valve communicates with the first port 121 and the second port 122
- the third port 123 communicates with the fourth port 124
- the first port 121 is in communication with the fourth port 124
- the second port 122 is in communication with the third port 123.
- the refrigerant discharged from the compressor 110 is transferred to the refrigerant/electrical cooling water heat exchanger 161 of the electrical component cooling circuit unit 160.
- the fourth port 124 communicates with the third port 123
- the refrigerant passing through the refrigerant/electrical cooling water heat exchanger 161 of the electrical component cooling circuit is transferred to the front end of the compressor 110 on the refrigerant flow It is transferred to the intermediate heat exchanger 180 disposed in.
- a first branch point 181 at which the refrigerant discharged from the external heat exchanger 130 diverges or joins is provided, and a four-way valve ( A second branching point 182 is provided on the refrigerant line connecting the third port 123 of the 120 and the compressor 110, where the refrigerant passing through the 4-way valve 120 diverges or joins.
- the second branch point 182 is preferably located at a position before the intermediate heat exchanger 180 so that the superheat and performance of the refrigerant discharged from the battery chiller 190 can be further increased.
- a battery chiller 190 is mounted on a separate refrigerant branch line connecting the first branch point 181 and the second branch point 182, and the refrigerant discharged from the external heat exchanger 130 is removed according to the air conditioning mode. 2
- the battery may be cooled through heat exchange in the battery chiller 190 by flowing into the expansion valve 191 .
- the second expansion valve 191 installed on the side of the battery chiller 190 is a solenoid-type expansion valve capable of ON/OFF opening and closing operations and cannot adjust the amount of opening, or Like the first expansion valve 170 installed on the side of the internal heat exchanger 140, an electronic expansion valve (EEV) capable of adjusting the amount of opening by PID control may be used.
- EEV electronic expansion valve
- a check valve 192 for preventing a reverse flow of the refrigerant may be mounted on a pipeline on the outlet side of the battery chiller 190 through which the refrigerant is discharged.
- the intermediate heat exchanger 180 is also abbreviated as IHX (Intermediate Heat Exchanger), and is a configuration provided for heat exchange between the refrigerant before passing through the first expansion valve 170 and the internal heat exchanger 140 and the refrigerant after passing therethrough. .
- IHX Intermediate Heat Exchanger
- the intermediate heat exchanger 180 is mounted between the first branch point 181 of the refrigerant line connecting the external heat exchanger 130 and the internal heat exchanger 140 and the external heat exchanger 130, depending on the air conditioning mode.
- the refrigerant discharged from the heat exchanger 130 is heat exchanged and then transferred to the internal heat exchanger 140, or the refrigerant discharged from the internal heat exchanger 140 is heat exchanged and then transferred to the external heat exchanger 130.
- the intermediate heat exchanger 180 is heat exchanger in the form of a double pipe including an outer conduit for delivering refrigerant to the first expansion valve 170 and an inner conduit for conveying refrigerant to the accumulator 150 and the compressor 110. It may consist of groups.
- a refrigerant having a relatively high pressure and temperature may flow in the outer conduit connected to the first expansion valve 170, and a refrigerant having a relatively low pressure and temperature may flow in the inner conduit.
- a heater core 103 into which cooling water heated by the cooling water electric heater 104 flows is mounted inside the HVAC module 101.
- the heater core 103 is mounted inside the air flow path supplied to the interior of the vehicle, and applies heat to the air supplied to the interior of the vehicle when the air conditioning mode is a heating mode, dehumidification mode, or defrosting mode, and the heater core 103
- the temperature of the cooling water supplied to the cooling water may be adjusted through PID control of the cooling water electric heater 104 by the control unit.
- a blower fan 102 capable of blowing air to the internal heat exchanger 140 and controlled by the control unit is installed inside the HVAC module 101 .
- the electrical component cooling circuit unit 160 is controlled to operate when the air conditioning mode of the heat pump system is a heating mode or a cooling mode, and the refrigerant/electric component cooling water heat exchanger 161 uses electrical component cooling water in the cooling mode to operate as a water-cooled condenser, In heating mode, it operates as an evaporator that absorbs heat generated from electrical components.
- control unit PID controls the compressor 110 until the difference between the target evaporator temperature according to the user's temperature setting and the current evaporation temperature converges within the error range, thereby cooling the room. can be performed.
- the internal heat exchanger 140 functions as an evaporator
- the control unit sets the temperature of the internal heat exchanger 140 functioning as an evaporator to the target evaporator temperature, and the internal heat exchanger (140) Room cooling by performing PID control of the RPM of the compressor 110 until the difference between the current evaporator temperature detected through a temperature sensor (not shown) installed around and the target evaporator temperature converges within a preset error range. can be performed.
- Room heating may be performed by performing PID control of the RPM of the compressor 110 until the difference between the current temperature of the internal heat exchanger 140 detected by the sensor and the target temperature converges within a preset error range.
- FIGS. 2 to 4 are refrigerant circulation flow charts illustrating respective refrigerant flows in a cooling mode, a heating mode, a cooling mode, and a battery cooling mode of the air conditioning system for an electric vehicle according to an embodiment of the present invention.
- the flow of refrigerant is "compressor (110) - 4-way valve (120) - electrical component cooling circuit (160, refrigerant / electrical component cooling water heat exchanger (161) functions as a water-cooled condenser) - external heat exchanger (130, condenser) Function) - Intermediate heat exchanger (180) - Internal heat exchanger (140, functions as an evaporator) - 4-way valve (120) - Accumulator (150) - Compressor (110) It is controlled to flow in this order.
- the 4-way valve 120 is a 4-way valve so that the refrigerant discharged from the compressor 110 is introduced into the external heat exchanger 130 and the refrigerant discharged from the internal heat exchanger 140 is introduced into the compressor 110 ( 120, the first port 121 communicates with the fourth port 124, and the second port 122 communicates with the third port 123.
- the internal heat exchanger 140 exchanges heat with the air supplied from the external heat exchanger 130 to the refrigerant delivered from the external heat exchanger 130 according to the air conditioning mode, or transfers the refrigerant discharged from the compressor 110 to the air supplied to the interior of the vehicle. will exchange heat with
- one port of the internal heat exchanger 140 discharges the refrigerant that absorbs heat from the air introduced into the HVAC module 101 according to the air conditioning mode, or the refrigerant for providing heat to the air supplied to the vehicle interior Functions as an inlet passage, and the other port introduces a refrigerant that absorbs heat from the air introduced into the HVAC module 101 according to the air conditioning mode, or discharges the refrigerant that provides heat to the air supplied to the interior of the vehicle. function as a passageway.
- the internal heat exchanger 140 functions as an evaporator, and the refrigerant transferred from the external heat exchanger 130 is expanded in the first expansion valve 170 and then It is drawn into the exchanger 140 and exchanges heat with the air supplied to the interior of the vehicle.
- the accumulator 150 is installed between the intermediate heat exchanger 180 and the compressor 110, absorbs the refrigerant discharged from the internal heat exchanger 140 through the 4-way valve 120 and transfers it to the compressor 110.
- the electrical component cooling circuit unit 160 may be operated when the air conditioning mode is a cooling mode, and in this case, the refrigerant/electronic component cooling water heat exchanger 161 is operated as a water-cooled condenser using the electrical component cooling water, so that the refrigerant/electronic component cooling water heat exchanger (161) The refrigerant inside can be further cooled, and the cooling performance can be improved.
- the cooling mode shown in FIG. 2 is an operation mode under an ambient temperature condition in which battery cooling is not required, and the second expansion valve 191 is closed to branch the outlet side refrigerant line of the intermediate heat exchanger 180.
- the battery cooling passage is not opened so that the refrigerant does not flow into the battery chiller 190 .
- the flow of refrigerant is "compressor (110) - 4-way valve (120) - internal heat exchanger (140, functioning as a condenser) - external heat exchanger (130, functioning as an evaporator) - electrical component cooling circuit (160, refrigerant) /
- the cooling water heat exchanger 161 functions as an evaporator) - 4-way valve 120 - accumulator 150 - compressor 110" can be controlled to flow in this order.
- the four-way valve 120 is a four-way valve 120 so that the refrigerant discharged from the compressor 110 flows into the internal heat exchanger 140 and the refrigerant discharged from the external heat exchanger 130 flows into the compressor 110.
- the first port 121 of is in communication with the second port 122, the third port 122 may be in communication with the fourth port (123).
- the internal heat exchanger 140 functions as a condenser.
- the refrigerant discharged from the compressor 110 is condensed to exchange heat with the air supplied to the interior of the vehicle from the compressor 110.
- the discharged refrigerant is introduced into the internal heat exchanger (140).
- heating performance can be improved by operating the coolant electric heater 104 to apply heat to the air supplied to the interior of the vehicle.
- the heater core 103 is disposed in the HVAC module 101, and a cooling water line circulating through the heater core 103 is configured, but the cooling water electric heater 104 and the pump ( 105) and the coolant reservoir tank 106 may be disposed.
- the accumulator 150 may absorb the refrigerant discharged from the electrical component cooling circuit unit 160 through the 4-way valve 120 and then transfer the refrigerant to the compressor 110 .
- the refrigerant discharged from the external heat exchanger 130 absorbs heat generated from the electrical components mounted in the vehicle through heat exchange, and the refrigerant that has absorbed the heat turns the 4-way valve 120. It can be delivered to the accumulator 150 through.
- the battery cooling mode is switched to a battery cooling mode in which only the battery cooling operation is performed, and the heating can be performed only by the cooling water electric heater 104 .
- the refrigerant/electric component cooling water heat exchanger 161 of the electrical component cooling circuit unit 160 functions as an evaporator, and the refrigerant absorbs heat generated from electrical components, reaches a relatively higher temperature state, and flows into the accumulator 150 and the compressor, thereby increasing the amount of heat generated in the internal heat exchanger 140, thereby further improving heating performance.
- the flow of refrigerant is "compressor 110 - 4-way valve 120 - electrical component cooling circuit part (160, refrigerant / electrical component cooling water heat exchanger 161 functions as a water-cooled condenser) - External heat exchanger (130, functions as a condenser) - Intermediate heat exchanger (180) - Internal heat exchanger (140, functions as an evaporator) - 4-way valve (120) - Accumulator (150) - Compressor (110) Controlled, by branching the refrigerant line connecting between the intermediate heat exchanger 180 and the internal heat exchanger 140, a part of the branched refrigerant flows into the battery chiller 190 through the second expansion valve 191 to cool the battery. can make it happen
- the internal heat exchanger 140 functions as an evaporator, and the refrigerant transferred from the external heat exchanger 130 is expanded through the first expansion valve 170 and then returned to the indoor heat exchanger. (140) It is introduced into the interior and exchanges heat with the air supplied to the interior of the vehicle.
- the accumulator 150 mounted between the intermediate heat exchanger 180 and the compressor 110 receives the refrigerant discharged from the internal heat exchanger 140 through the 4-way valve 120 and then transfers the refrigerant back to the compressor 110.
- the refrigerant discharged from the external heat exchanger 130 expands through the second expansion valve 191 and becomes a low temperature state, and then is drawn into the battery chiller 190 and heat exchanges with the coolant circulating in the battery 194 to the battery. (194) is cooled.
- the cooling water circulation pump 193, the battery 194, and the battery heater 195 are sequentially disposed in the battery cooling/heating cooling water circuit that exchanges heat with the battery chiller 190 to circulate the cooling water, and the battery chiller 190 will act as an evaporator.
- the condensed refrigerant passing through the external heat exchanger 130 expands through the first expansion valve 170 and the second expansion valve 191, and is passed to the internal heat exchanger 140 and the battery chiller 190 as low-temperature refrigerant, respectively.
- the air introduced into the HVAC module 101 is cooled to cool the room, and at the same time, the battery 194 can be cooled by a heat exchange action of the low-temperature refrigerant introduced into the battery chiller 190 .
- the refrigerant heat-exchanged in the battery chiller 190 passes through the internal heat exchanger 140 and joins the refrigerant passing through the 4-way valve 120 at the second branching point 182 and flows into the intermediate heat exchanger 181.
- the second expansion valve 191 is opened to allow the refrigerant to flow and the refrigerant to expand.
- the expanded refrigerant passes through the battery chiller 190, which functions as an evaporator, to cool the cooling water in the battery cooling/heating cooling water circuit, and this cooling water is circulated to the cooling plate of the battery pack to prevent the battery pack from overheating. .
- FIG. 5 schematically illustrates a flash fogging phenomenon that occurs when the air conditioning system (heat pump system) of the present invention to which the four-way valve is applied is switched from a cooling mode to a heating mode.
- the external heat exchanger 130 when the air conditioning system 100 is operated in the cooling mode, the external heat exchanger 130 It functions as a condenser, and the internal heat exchanger 140 functions as an evaporator. Conversely, when the air conditioning system 100 is operated in a heating mode, the external heat exchanger 130 functions as an evaporator and the internal heat exchanger 140 functions as a condenser.
- the internal heat exchanger 140 that functions as an evaporator in the cooling mode Flash-fogging in which water droplets (moisture) stored when the internal heat exchanger 140 is in the evaporator state suddenly evaporates as the heating mode is suddenly changed to the condenser function, forming fog on the windshield of the vehicle ) phenomenon occurs.
- This obstructs the driver's vision, causing a risk of safety accidents while driving, and is the main reason why heat pump systems with four-way valves applied to existing vehicles could not be used.
- the air conditioning system 100 in order to solve the flash fogging phenomenon occurring in the heat pump system to which the four-way valve is applied, is switched to the heating mode by the user's settings or other set operating conditions while operating in the cooling mode. In this case, it enters a separately set mode called 'Inner HEX dry mode' before operating in earnest in heating mode to dry the moisture contained in the internal heat exchanger 140. can do.
- FIG. 6 is a flow chart showing control logic for preventing flash fogging in the air conditioning system of the present invention.
- control logic for preventing flash fogging of the air conditioning system first determines whether the current air conditioning mode is set to a cooling mode (HEAT ON) or a heating mode (AC ON). (S210)
- the set temperature range is an outdoor temperature range that is a condition for entering the inner heat exchanger dry mode (Inner HEX dry mode), for example, the outdoor temperature range may be -25 degrees ⁇ outside temperature ⁇ 15 degrees.
- the request to enter the internal heat exchanger drying mode is made when the air conditioning mode position is switched from the cooling mode to the heating mode, or when the battery, which is the driving source of the electric vehicle, is reset.
- a request to enter the internal heat exchanger drying mode may be received in a step before full-scale operation of the internal heat exchanger mode.
- step (S221) if it is determined in step (S221) that the current outside air temperature of the vehicle does not exist within the set temperature range, or if it is determined that the request for entering the internal heat exchanger drying mode is not received in step (S222), Normal heating mode operation for indoor heating can be performed under the operating conditions set in the heat pump system. (S224, S225)
- the internal heat exchanger drying operation performed after entering the internal heat exchanger drying mode is, for example, the heater core 103 located inside the HVAC module 101 by operating the cooling water electric heater 104 in the first step.
- the blower fan 102 provided inside the HVAC module 101 is driven in two or more stages to remove the heat from the internal heat exchanger 140. It can assist in dehumidifying action.
- the compressor 110 operating in the heat pump system may be operated at minimum RPM for a predetermined time to remove residual moisture from the internal heat exchanger 140 (S223).
- the room can be cooled by operating in the normal cooling mode according to the set cooling mode operating conditions (S212).
- control unit determines whether a position change to the heating mode has occurred while operating in the indoor cooling mode (S214),
- the internal heat exchanger enters the drying mode to perform the drying operation of the internal heat exchanger 140 (S223), and if it is confirmed that the position conversion to the heating mode does not occur , It can operate in the set normal cooling mode. (S212)
- step S214 whether or not the position change from the cooling mode to the heating mode has occurred in step S214 can be determined based on whether or not the position of the 4-way valve 120 has changed.
- the air conditioning mode is changed to the defrost (DEF) mode or the cooling mode (AC mode) by a user's manipulation, or the air conditioning system 100
- DEF defrost
- AC mode cooling mode
- the defrost mode or cooling mode is changed by a user's operation or other set operating conditions, or the operation of the air conditioning system 100 is When turned off (S227), the drying operation of the internal heat exchanger 140 currently operating in the drying mode can be stopped (S228).
- the air conditioning system 100 when the air conditioning system 100 is switched from the cooling mode to the heating mode, or when the battery is reset, the 'internal heat exchanger drying mode' is entered and the internal heat exchanger 140 is naturally dried only with the heater core 103 for a certain period of time.
- the heating mode heat pump mode
- the compressor 110 is operated at minimum RPM for a certain period of time to completely remove the remaining moisture in the internal heat exchanger 140, and the internal heat exchanger 140 is dried.
- the drying operation of the exchanger 140 is completed, it is controlled to operate in the normal heating mode again, thereby effectively suppressing the phenomenon of flash fogging on the windshield of the vehicle, thereby providing driving safety while driving the vehicle. there is.
- the internal heat exchanger is set to dry mode, so the domestic electric vehicle low-temperature mileage certification test standard air conditioning power consumption was as high as 6.819 kwh.
- the control logic for preventing flash fogging of the present invention it is possible to perform the drying operation of the internal heat exchanger by selectively entering the internal heat exchanger drying mode according to the judgment conditions, so that domestic electric vehicle low-temperature mileage certification test Since the standard air conditioning power consumption is reduced to about 5.111 kwh, it is possible to implement a power consumption reduction of about 25%.
- the battery control unit (Battery Management A battery cooling request signal is received from the system (BMS), and indoor cooling can be performed simultaneously. That is, when the battery cooling request is received from the battery control unit while the air conditioning system 100 is operating in the cooling mode, the control unit transmits a control signal to open the second expansion valve 191 located on the battery chiller 190 side and open the battery chiller 190. A low-temperature refrigerant is supplied to 190 to perform battery cooling through heat exchange action of chiller 190 .
- the second expansion valve 191 located on the side of the battery chiller 190 is not an electronic expansion valve that can adjust the amount of opening like the first expansion valve 170 located on the side of the internal heat exchanger 140, but a solenoid type.
- the battery cooling mode is entered and the second expansion valve 191 is suddenly opened, the external heat exchanger 130 ), as a part of the refrigerant supplied to the internal heat exchanger 140 flows into the battery chiller 190 and the flow rate of the refrigerant toward the internal heat exchanger 140 temporarily decreases, a phenomenon in which indoor cooling performance is temporarily lowered may occur. .
- the second expansion valve 191 is opened to cool the battery through the battery chiller 190, and at the same time Internal heat exchanger ( 140), since the amount of refrigerant directed to the side can be increased for a certain period of time, it is possible to effectively compensate for a temporary decrease in cooling performance due to a sudden change in the refrigerant path caused by the opening of the second expansion valve 191.
- the battery control unit transfers a predetermined compensation RPM value capable of compensating for the cooling load of the battery 194 to the compressor 110, thereby adding compensation.
- PID control of the compressor 110 may be performed with high output for a predetermined time through the RPM value.
- the control unit closes the second expansion valve 191 to induce the flow of refrigerant only to the internal heat exchanger 140.
- a specific compensation RPM value is applied As the compressor 110 operates at a high output, the amount of refrigerant continuously increases, and thus, excessive cooling of the room may occur.
- the control unit controls the PID control value of the compressor 110 under PID control with high output to return to its original state (a state that operates only in the cooling mode) by applying the current compensation RPM value to the evaporator.
- blower fan 103 heater core
- cooling water electric heater 110 compressor
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Abstract
본 발명은 4방밸브가 적용된 공조 시스템에서 냉방 모드로 작동하다가 난방 모드로 전환될 경우에 증발기 역할을 하던 내부열교환기가 응축기 역할로 변경되면서 내부열교환기에 고여 있던 수분이 증발되어 윈드실드에 플래시 포깅을 발생시키는 현상을 방지할 수 있는 전기 자동차의 공조 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 전기 자동차용 공조 시스템의 제어 방법은, 현재의 공조 모드가 냉방 모드 또는 난방 모드로 설정되었는지 여부를 판단하는 단계와; 현재의 공조 모드가 난방 모드로 설정된 경우, 내부열교환기 건조 모드로의 진입 요청이 수신되었는지 여부를 판단하는 단계와; 내부열교환기 건조 모드로 진입 요청이 수신되면, 내부열교환기 건조 모드로 진입하여 설정시간 동안 내부열교환기의 건조 동작을 수행하는 단계와; 내부열교환기 건조 동작이 종료되면 설정된 정상 난방 모드로 동작시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다
Description
본 발명은 전기 자동차의 공조 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 4방밸브가 적용된 공조 시스템에서 냉방 모드로 작동하다가 난방 모드로 전환될 경우에 증발기 역할을 하던 내부열교환기가 응축기 역할로 변경되면서 내부열교환기에 고여 있던 수분이 증발되어 윈드실드에 플래시 포깅을 발생시키는 현상을 방지할 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 히트펌프 시스템을 적용한 종래의 전기 자동차용 공조 시스템은, 공조 시스템이 냉방 모드로 작동하다가 난방 모드로 전환될 경우 증발기 역할을 하던 내부열교환기가 응축기 역할로 변경되면서 내부열교환기에 고여 있던 물방울(수분)이 증발되어 윈드실드(windshield)에 맺히게 되는 플래시 포깅(flash fogging)을 발생시키는 문제 때문에 실제 전기 자동차에서는 4방밸브를 적용한 히트펌프 시스템을 적용한 사례를 찾아보기 어렵다.
즉, 제어를 통해 냉매의 흐름을 특정 방향으로 유도할 수 있는 4방밸브(4way-valve)가 적용된 히트펌프 시스템은 가정이나 산업용으로 널리 사용되고 있는 기본적인 히트펌프 시스템이지만, 이러한 4방밸브를 사용하는 히트펌프 시스템을 승용 차량에 적용하는 경우 공조 모드가 냉방 모드로 작동되다가 운전자의 조작 또는 기타 설정된 조건에 의해 난방 모드로 전환될 경우에 증발기 기능을 하던 내부열교환기가 응축기 기능으로 변경되면서 내부열교환기가 증발기 상태일 때 머금고 있던 수분이 증발되어 차량의 윈드실드에 안개처럼 맺히게 되는 플래시 포깅 현상을 발생시키게 된다.
이와 같이 4방밸브가 적용된 히트펌프 시스템에서 공조 모드가 냉방 모드에서 난방 모드로 전환될 경우 발생하는 플래시 포깅은 히트펌프 시스템이 가정용이나 산업용으로 사용될 경우에는 큰 문제가 되지 않지만, 4방밸브가 적용된 히트펌프 시스템을 차량에 장착하여 사용할 경우 주행중인 차량의 윈드실드에 플래시 포깅을 유발하여 운전 중인 차량 운전자의 시야를 가리게 됨으로써 안전사고를 유발할 수 있는 심각한 문제를 야기한다. 이에 따라, 4방밸브가 적용된 히트펌프 시스템을 차량에 적용하면서 차량의 윈드실드에 발생하는 플래시 포깅을 억제시킬 수 있는 새로운 방안이 절실하게 요구되고 있는 실정이다.
[선행기술문헌]
(특허문헌 1) 대한민국 특허공개 제2007-0039282호(2007.04.11)
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명에서 해결하고자 하는 기술적 과제는 4방밸브가 적용된 공조 시스템에서 냉방 모드로 작동하다가 난방 모드로 전환될 경우, 증발기 역할을 하던 내부열교환기가 응축기 역할로 변경되면서 내부열교환기에 고여 있던 수분이 증발되어 차량의 윈드실드에 맺히게 되는 플래시 포깅 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 시스템의 제어 방법은, (a) 현재의 공조 모드가 냉방 모드 또는 난방 모드로 설정되었는지 여부를 판단하는 단계와; (b) 현재의 공조 모드가 난방 모드로 설정된 경우, 내부열교환기 건조 모드로의 진입 요청이 수신되었는지 여부를 판단하는 단계와; (c) 내부열교환기 건조 모드로 진입 요청이 수신되면, 내부열교환기 건조 모드로 진입하여 설정시간 동안 내부열교환기의 건조 동작을 수행하는 단계와; (d) 내부열교환기 건조 동작이 종료되면 설정된 정상 난방 모드로 동작시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 (c) 단계의 내부열교환기 건조 모드로 진입 후에, 제1단계에서 HVAC 모듈 내부의 히터 코어 및 블로워 팬을 일정시간 작동시켜 내부열교환기의 제습과 실내 난방을 수행하고, 제2단계에서 압축기를 설정된 최소 RPM으로 일정시간 동안 작동시켜 내부열교환기의 잔여 수분을 제거할 수 있다.
그리고, 상기 (a) 단계에서 현재의 공조 모드가 난방 모드로 설정된 것으로 확인될 경우, 외기온도가 설정범위 내에 존재하는지 여부를 판단하는 단계(a-1)가 추가적으로 수행될 수 있다.
또한, 상기 (a-1) 단계에서 외기온도가 설정범위 내에 존재하면 상기 (b) 단계로 진입하여 내부열교환기 건조 모드로의 진입 요청이 수신되었는지 여부를 판단하고, 외기온도가 설정범위 내에 존재하지 않으면 상기 (d) 단계로 진입하여 설정된 정상 난방 모드로 동작시킬 수 있다.
아울러, 상기 (c) 단계에서 내부열교환기의 건조 동작을 수행하는 중에, 사용자의 조작이나 설정된 조건에 의해 제상 모드 또는 냉방 모드로 변경되거나, 또는 공조 시스템이 오프(OFF)될 경우 내부열교환기의 건조 동작을 중지할 수 있다.
또한, 배터리 리셋시 상기 (c) 단계의 내부열교환기 건조 모드로 진입하여 내부열교환기의 건조 동작을 수행할 수 있다.
그리고, 상기 (a) 단계에서 현재의 공조 모드가 냉방 모드로 설정된 것으로 확인되어, 설정된 정상 냉방 모드로 동작하는 중에 난방 모드로의 포지션 전환이 발생되었는지의 여부를 판단하는 단계(e)가 추가적으로 수행될 수 있다.
이 경우, 상기 (e) 단계에서 난방 모드로의 포지션 전환이 발생되었는지 여부의 판단은 4방밸브의 포지션 전환 여부로 판단할 수 있다.
그리고, 상기 (e) 단계에서 난방 모드로의 포지션 전환이 발생된 것으로 판단되면, 상기 (c) 단계의 내부열교환기 건조 모드로 진입하여 내부열교환기의 건조 동작을 수행하고, 난방 모드로의 포지션 전환이 발생되지 않은 것으로 판단되면, 설정된 정상 냉방 모드로 동작할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 전기 자동차용 공조 시스템은, 냉매를 압축하여 토출하는 압축기와; 상기 압축기로부터 배출되는 냉매를 공조 모드에 따라 외부열교환기 또는 내부열교환기로 전달하는 4방밸브와; 상기 압축기 또는 내부열교환기로부터 전달되는 냉매를 자동차 외부의 공기와 열교환시키는 외부열교환기와; 상기 외부열교환기에서 전달된 냉매를 HVAC 모듈 내부로 공급되는 공기와 열교환시키거나, 상기 압축기에서 배출된 냉매를 HVAC 모듈 내부로 공급되는 공기와 열교환시키는 내부열교환기와; 상기 내부열교환기의 주변에 설치되어 냉각수 전기히터를 통해 가열된 냉각수가 공급되며, 상기 내부열교환기를 거쳐 토출되는 공기를 가열하는 히터 코어와; 상기 HVAC 모듈 내부에 설치되며 상기 내부열교환기로 공기를 송풍하는 블로워 팬과; 공조 모드에 따라 상기 압축기와 냉각수 전기히터 및 블로워 팬을 제어하는 제어부;를 포함하며, 상기 제어부는, 현재의 공조 모드가 난방 모드로 설정된 경우, 내부열교환기 건조 모드로의 진입 요청이 수신되면, 내부열교환기 건조 모드로 진입하여 설정시간 동안 상기 내부열교환기의 건조 동작을 수행하고, 내부열교환기 건조 동작이 종료되면 설정된 정상 난방 모드로 동작하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제어부는 내부열교환기 건조 모드로 진입 후, 제1단계에서 HVAC 모듈 내부의 히터 코어 및 블로워 팬을 일정시간 작동시켜 내부열교환기의 제습과 실내 난방을 수행하도록 제어하고, 제2단계에서 압축기를 설정된 최소 RPM으로 일정시간 동안 작동시켜 내부열교환기의 잔여 수분을 제거하도록 제어할 수 있다.
그리고, 상기 제어부는 내부열교환기의 건조 동작을 수행하는 중에, 사용자의 조작이나 설정된 조건에 의해 제상 모드 또는 냉방 모드로 변경되거나, 또는 공조 시스템이 오프(OFF)될 경우 내부열교환기의 건조 동작을 중지하도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 배터리 리셋시 내부열교환기 건조 모드로 진입하여 내부열교환기의 건조 동작을 수행할 수 있다.
아울러, 상기 제어부는 냉방 모드에서 난방 모드로 포지션 전환이 발생된 것으로 판단되면, 내부열교환기 건조 모드로 진입하여 내부열교환기의 건조 동작을 수행하도록 제어하고, 냉방 모드에서 난방 모드로 포지션 전환이 발생되지 않은 것으로 판단되면, 설정된 정상 냉방 모드로 동작하도록 제어할 수 있다.
본 발명의 전기 자동차용 공조 시스템 및 그 제어방법에 따르면, 공조 시스템이 냉방 모드로 작동하다가 난방 모드로 전환될 경우, 난방 모드로 진입하기 이전에 내부열교환기 건조 모드로 진입하여, 제1단계로 블로워 팬과 냉각수 히터만으로 일정시간 동안 내부열교환기의 제습 및 실내 난방을 수행하고, 제2단계로 히트펌프를 최소 RPM으로 일정시간 동작시켜 내부열교환기의 잔여 수분을 완전히 제거함으로써 공조 시스템이 냉방 모드에서 난방 모드로 전환 시 차량의 윈드실드에 발생하는 플래시 포깅 현상을 방지할 수 있고, 이를 통해 차량 운전 시 안전성을 제공해줄 수 있는 효과가 있다.
또한, 윈드실드에 발생하는 플래시 포깅 현상 때문에 기존에는 차량 히트펌프 시스템이 4방밸브가 아닌 3방밸브를 사용한 변형된 형태의 히트펌프 시스템이 차량에 적용됨에 따라, 3방밸브 사용에 따른 전용 부품이 추가되어야 하고, 히트펌프에 사용되는 밸브의 수량도 상대적으로 증가하여 히트펌프 시스템의 구성이 복잡해지고 양산비용도 증가되는 단점이 있었지만, 본 발명의 공조 시스템 및 그 제어방법을 적용하면 기존의 차량 히트펌프 시스템에 적용하기 어려웠던 4방밸브가 적용된 히트펌프 시스템을 차량에 적용하여 양산하는 것이 가능해질 수 있고, 히트펌프 시스템이 4방밸브를 적용하여 간단한 구조로 구성되기 때문에 차량 내부에서 히트펌프 시스템 장착에 따른 레이아웃 자유도를 향상시킬 수 있고, 히트펌프 시스템에 설치되는 부품 수도 감소시켜 차량의 양산비용도 절감시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 기존의 히트펌프 시스템을 장착한 차량에서는 공조 시스템이 오프(OFF) 될 경우마다 항상 내부열교환기 건조 모드로 진입하도록 되어 있었기 때문에 국내 전기차 저온주행거리 인증 시험 기준 공조 전력 소모량이 6.819kwh 정도로 높았지만, 본 발명의 플래시 포깅 방지를 위한 제어 로직을 사용하게 되면, 판단 조건에 따라 내부열교환기 건조 모드로 선택적 진입을 하여 내부열교환기의 건조작업을 실시하기 때문에 국내 전기차 저온주행거리 인증 시험 기준 공조 전력 소모량이 5.111kwh 정도로 감소되어, 약 25% 정도의 전력 소모량을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전기 자동차용 공조 시스템의 구성을 보여주는 구성도.
도 2는 공조 시스템이 냉방 모드로 작동될 때의 냉매의 흐름을 보여주는 모식도.
도 3은 공조 시스템이 난방 모드로 작동될 때의 냉매의 흐름을 보여주는 모식도.
도 4는 공조 시스템이 냉방 모드 및 배터리 냉각 모드로 동시 작동될 때의 냉매의 흐름을 보여주는 모식도.
도 5는 공조 시스템이 냉방 모드로 작동하다가 난방 모드로 작동시 발생하는 플래시 포깅 현상을 보여주는 개념도.
도 6은 본 발명에 따른 공조 시스템의 제어 방법을 보여주는 플로우 차트.
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, 상기 제1팽창밸브(170)로는 PID 제어에 의해 개도량 조절이 가능한 전자식 팽창밸브(Electronic Expansion Valve; EEV)가 사용될 수 있다.
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, 상기 배터리 칠러(190) 측에 설치되는 제2팽창밸브(191)는 솔레노이드 방식으로 온/오프(ON/OFF) 개폐동작만이 가능하고 개도량 조절이 불가능한 팽창밸브가 사용되거나, 또는 상기 내부열교환기(140) 측에 설치되는 제1팽창밸브(170)와 같이 PID 제어에 의해 개도량 조절이 가능한 전자식 팽창밸브(EEV)가 사용될 수 있다. 그리고, 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. 또한, HVAC 모듈(101)의 내부에는 제어부에 의해 제어되며 내부열교환기(140)로 공기를 송풍시킬 수 있는 블로워 팬(102)이 설치된다.
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, 사용자의 온도 설정에 따른 목표 증발기온과 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 증발기 기능을 하는 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 수행할 수 있다.
이와 반대로, 공조 시스템(100)이 난방 모드로 작동될 경우에는 내부열교환기(140)는 응축기로서 기능을 하게 되며, 제어부에서는 응축기 기능을 하는 내부열교환기(140)의 온도를 목표 온도로 설정하고, 온도센서를 통해 검출된 내부열교환기(140)의 현재 온도와 상기 목표 온도의 차이가 기 설정된 오차 범위에 수렴될 때까지 압축기(110) RPM에 대한 PID 제어를 수행함으로써 실내 난방을 수행할 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.
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, 도 5는 4방밸브가 적용한 본 발명의 공조 시스템(히트펌프 시스템)이 냉방 모드에서 난방 모드로 전환될 시 발생하는 플래시 포깅 현상을 도식적으로 나타낸 것이다.
4방밸브(120)를 적용하여 히트펌프 시스템을 구성하고 있는 본 발명의 공조 시스템(100)은 도 5에 나타낸 바와 같이 공조 시스템(100)이 냉방 모드로 작동될 경우 외부열교환기(130)는 응축기로서의 기능을 하고, 내부열교환기(140)는 증발기로서의 기능을 하게 된다. 이와 반대로, 공조 시스템(100)이 난방 모드로 작동될 경우에는 외부열교환기(130)는 증발기로 기능을 하고, 내부열교환기(140)는 응축기로 기능을 하게 된다.
그러나, 공조 시스템(100)이 냉방 모드로 작동하는 중에 사용자 난방 모드로 설정을 변경하거나, 또는 제어부에 설정된 동작 조건에 따라 난방 모드로 전환될 경우, 냉방 모드에서 증발기 기능을 하던 내부열교환기(140)가 난방 모드에서 응축기 기능으로 갑자기 변경되면서 내부열교환기(140)가 증발기 상태일 때 머금고 있던 물방울(수분)이 급격히 증발하게 되어 차량의 윈드실드(Windshield)에 안개처럼 맺히게 되는 플래시 포깅(Flash-fogging) 현상이 발생하게 된다. 이는 차량 운전자의 시야를 가리게 되어 차량 주행 중 안전사고를 유발할 위험이 있으며, 기존의 차량에 4방밸브를 적용한 히트펌프 시스템을 사용하지 못하고 있었던 주된 이유이기도 하다.
본 발명에서는 이와 같이 4방밸브를 적용한 히트 펌프 시스템에서 발생하는 플래시 포깅 현상을 해결하기 위하여, 공조 시스템(100)이 냉방 모드에서 작동 중에 사용자의 설정이나 기타 설정된 동작 조건에 의해 난방 모드로 전환될 경우, 난방 모드로 본격적으로 작동되기 이전에 '내부열교환기 건조 모드(Inner HEX dry mode)'라는 별도의 설정된 모드(mode)로 진입하여 내부열교환기(140)에 머금고 있던 수분을 건조 시키는 동작을 수행할 수 있다.
도 6은 본 발명의 공조 시스템에 있어서 플래시 포깅 방지를 위한 제어 로직을 보여주는 플로우 차트이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 공조 시스템의 플래시 포깅 방지를 위한 제어 로직은, 먼저, 현재의 공조 모드가 냉방 모드(HEAT ON) 또는 난방 모드(AC ON)로 설정되었는지 여부를 판단한다.(S210)
여기서, 현재의 공조 모드가 난방 모드로 설정된 것으로 확인될 경우에는, 차량의 외기온도가 설정 온도범위 내에 존재하는지 여부를 판단한다.(S221)
이때, 상기 설정 온도범위는 내부열교환기 건조 모드(Inner HEX dry mode)로 진입하기 위한 조건이 되는 외기온도 범위로서, 예를 들어, 외기온도 범위는 -25도 < 외기온도 < 15도가 될 수 있다.
그리고, 현재 차량의 외기온도가 상기 설정 온도범위 내에 존재하는 것으로 확인되면, 다음으로, 내부열교환기 건조 모드(Inner HEX dry mode)로의 진입 요청이 수신되었는지 여부를 판단한다.(S222)
이 경우, 내부열교환기 건조 모드로의 진입 요청은, 냉방 모드에서 난방 모드로 공조 모드 포지션(position)이 전환된 경우나, 전기차의 구동원인 배터리 리셋(Battery reset) 시, 공조 시스템(100)이 난방 모드로 본격적으로 동작되기 전 단계에서 내부열교환기 건조 모드로의 진입 요청이 수신될 수 있다.
이때, 만일 상기 (S221) 단계에서 차량의 현재 외기온도가 설정 온도범위 내에 존재하지 않는 것으로 판단되거나, 상기 (S222) 단계에서 내부열교환기 건조 모드로의 진입 요청이 수신되지 않은 것으로 판단된 경우에는, 히트펌프 시스템에 설정된 작동 조건으로 실내 난방을 위한 정상적인 난방 모드 동작을 수행할 수 있다.(S224,S225)
다음으로, 상기 (S222) 단계에서 내부열교환기 건조 모드로 진입 요청이 수신된 것으로 확인될 경우, 내부열교환기 건조 모드로 진입하여 설정시간 동안 내부열교환기(140)의 건조 동작을 수행하게 된다.(S223)
이때, 내부열교환기 건조 모드로 진입된 이후에 수행되는 내부열교환기 건조 동작은, 예를 들어, 제1단계에서 냉각수 전기히터(104)를 작동시켜 HVAC 모듈(101) 내부에 위치한 히터 코어(103)를 통해 일정시간 동안 내부열교환기(140)의 제습 및 실내 난방을 수행할 수 있다. 이 경우, 상기 히터 코어(103)에 의한 내부열교환기(140)의 제습과 함께 HVAC 모듈(101) 내부에 구비된 블로워 팬(Blower fan; 102)을 2단 이상으로 구동시켜 내부열교환기(140)의 제습 작용을 보조할 수 있다. 이어서, 제2단계에서는 히트펌프 시스템(난방 모드)으로 운용되는 압축기(110)를 최소 RPM으로 일정시간 동안 작동시켜 내부열교환기(140)의 잔여 수분을 제거할 수 있다.(S223)
그리고, 상기 (S223) 단계에서의 내부열교환기 건조 동작이 모두 종료되면, 히트펌프 시스템을 설정된 정상 난방 모드로 동작시킨다.(S224,S225)
한편, 상기 (S210) 단계에서 현재의 공조 모드가 냉방 모드로 설정된 것으로 확인된 경우에는 설정된 냉방 모드 동작 조건에 따라 정상 냉방 모드로 동작하여 실내 냉방을 수행할 수 있다.(S212)
이때, 제어부에서는 실내 냉방 모드로 작동 중에 난방 모드로의 포지션(position) 전환이 발생되었는지의 여부를 판단(S214)하고,
만일, 난방 모드로의 포지션 전환이 발생된 것으로 확인되면, 내부열교환기 건조 모드로 진입하여 내부열교환기(140)의 건조 동작을 수행하고(S223), 난방 모드로의 포지션 전환이 발생되지 않은 것으로 확인되면, 설정된 정상 냉방 모드로 동작할 수 있다.(S212)
이 경우, 상기 (S214) 단계에서 냉방 모드에서 난방 모드로의 포지션 전환이 발생되었는지 여부의 판단은 4방밸브(120)의 포지션 전환 여부로 판단할 수 있다.
반면, 상기한 냉방 모드에서 난방 모드로의 공조 모드 포지션이 변경되는 상황과는 상관없이, 차량의 배터리 리셋(Battery reset; S226)이 이루어질 경우 상기 (S223) 단계의 내부열교환기 건조 모드로 곧바로 진입하도록 하여 내부열교환기(140)에 대한 제습을 수행할 수 있다.
그리고, 상기와 같이 공조 시스템(100)이 내부열교환기 건조 모드로 작동되는 중에, 사용자의 조작에 의해 공조 모드가 디프로스트(DEF) 모드 또는 냉방 모드(AC 모드)로 변경되거나 공조 시스템(100)의 작동이 오프(OFF) 될 경우, 현재 진행 중이던 내부열교환기 건조 모드의 동작을 중지시킬 수 있다.
아울러, 상기 (S223) 단계에서 내부열교환기의 건조 동작을 수행하는 중에, 사용자의 조작이나 기타 설정된 동작 조건에 의해 제상 모드(Defrost mode) 또는 냉방 모드로 변경되거나, 또는 공조 시스템(100)의 작동이 오프(OFF)될 경우(S227), 현재 건조 모드에서 작동 중인 내부열교환기(140)의 건조 동작을 중지시킬 수 있다.(S228)
이와 같이 공조 시스템(100)이 냉방 모드에서 난방 모드로 전환되거나, 또는 배터리 리셋 시에 '내부열교환기 건조 모드'로 진입하여 내부열교환기(140)를 히터 코어(103)만으로 일정시간 동안 자연 건조시킨 후, 난방 모드(히트펌프 모드)로 압축기(110)를 최소 RPM으로 일정시간 동안 동작시켜 내부열교환기(140)의 잔여 수분을 완전히 제거하는 동작으로 내부열교환기(140)에 대한 건조작업을 진행하고, 내부열교환기(140)의 건조작업이 모두 완료되면 다시 정상 난방 모드로 작동되도록 제어함으로써, 차량의 윈드실드에 플래시 포깅이 발생하는 현상을 효과적으로 억제할 수 있고, 이를 통해 차량 주행 시 운전 안전성을 제공해줄 수 있다.
아울러, 기존의 히트펌프 시스템을 장착한 일부 차량에서는 공조 시스템이 오프(OFF) 될 경우마다 항상 내부열교환기 건조 모드로 진입하도록 되어 있었기 때문에 국내 전기차 저온주행거리 인증 시험 기준 공조 전력 소모량이 6.819kwh 정도로 높았지만, 상술한 본 발명의 플래시 포깅 방지를 위한 제어 로직을 사용하게 되면, 판단 조건에 따라 내부열교환기 건조 모드로 선택적 진입을 하여 내부열교환기의 건조작업을 수행할 수 있기 때문에 국내 전기차 저온주행거리 인증 시험 기준 공조 전력 소모량이 5.111kwh 정도로 감소되어, 약 25%의 정도의 전력 소모량 감소를 구현할 수 있다.
한편, 본 발명의 공조 시스템(100)에 있어서, 전술된 도 4의 냉방 모드와 배터리 냉각 모드가 동시에 수행되는 경우, 배터리의 냉각은 배터리(194)가 설정 온도 이상으로 과열되면 배터리 제어부(Battery Management System; 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 칠러(190)의 열교환 작용을 통해 배터리 냉각을 수행한다.
이때, 배터리 칠러(190) 측에 위치하는 제2팽창밸브(191)가 내부열교환기(140) 측에 위치하는 제1팽창밸브(170)와 같이 개도량 조절이 가능한 전자식 팽창밸브가 아닌, 솔레노이드 방식으로 온/오프(ON/OFF) 개폐 구동만이 가능하고 개도량 조절이 불가능한 팽창밸브로 사용될 경우에는, 배터리 냉각 모드로 진입하여 제2팽창밸브(191)가 갑작스럽게 개방되면 외부열교환기(130)에서 내부열교환기(140)로 공급되는 냉매의 일부가 배터리 칠러(190) 측으로 유입되어 내부열교환기(140)로 향하는 냉매 유량이 일시적으로 감소됨에 따라 실내 냉방 성능이 일시적으로 저하되는 현상이 발생할 수 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.
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, 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.
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
[부호의 설명]
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
Claims (14)
- (a) 현재의 공조 모드가 냉방 모드 또는 난방 모드로 설정되었는지 여부를 판단하는 단계;(b) 현재의 공조 모드가 난방 모드로 설정된 경우, 내부열교환기 건조 모드로의 진입 요청이 수신되었는지 여부를 판단하는 단계;(c) 내부열교환기 건조 모드로 진입 요청이 수신되면, 내부열교환기 건조 모드로 진입하여 설정시간 동안 내부열교환기의 건조 동작을 수행하는 단계;(d) 내부열교환기 건조 동작이 종료되면 설정된 정상 난방 모드로 동작시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 공조 시스템 제어 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 (c) 단계의 내부열교환기 건조 모드로 진입 후,제1단계에서 HVAC 모듈 내부의 히터 코어 및 블로워 팬을 일정시간 작동시켜 내부열교환기의 제습과 실내 난방을 수행하고,제2단계에서 압축기를 설정된 최소 RPM으로 일정시간 동안 작동시켜 내부열교환기의 잔여 수분을 제거하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 공조 시스템 제어 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 (a) 단계에서 현재의 공조 모드가 난방 모드로 설정된 것으로 확인될 경우,외기온도가 설정범위 내에 존재하는지 여부를 판단하는 단계(a-1)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 공조 시스템 제어 방법.
- 제3항에 있어서, 상기 (a-1) 단계에서 외기온도가 설정범위 내에 존재하면 상기 (b) 단계로 진입하여 내부열교환기 건조 모드로의 진입 요청이 수신되었는지 여부를 판단하고,외기온도가 설정범위 내에 존재하지 않으면 상기 (d) 단계로 진입하여 설정된 정상 난방 모드로 동작시키는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 공조 시스템 제어 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 (c) 단계에서 내부열교환기의 건조 동작을 수행하는 중에, 사용자의 조작이나 설정된 조건에 의해 제상 모드 또는 냉방 모드로 변경되거나, 또는 공조 시스템이 오프(OFF)될 경우 내부열교환기의 건조 동작을 중지하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 공조 시스템 제어 방법.
- 제1항에 있어서, 배터리 리셋시 상기 (c) 단계의 내부열교환기 건조 모드로 진입하여 내부열교환기의 건조 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 공조 시스템 제어 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 (a) 단계에서 현재의 공조 모드가 냉방 모드로 설정된 것으로 확인되어, 설정된 정상 냉방 모드로 동작하는 중에 난방 모드로의 포지션 전환이 발생되었는지의 여부를 판단하는 단계(e)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 공조 시스템 제어 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 (e) 단계에서 난방 모드로의 포지션 전환이 발생되었는지 여부의 판단은 4방밸브의 포지션 전환 여부로 판단하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 공조 시스템 제어 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 (e) 단계에서 난방 모드로의 포지션 전환이 발생된 것으로 판단되면, 상기 (c) 단계의 내부열교환기 건조 모드로 진입하여 내부열교환기의 건조 동작을 수행하고,난방 모드로의 포지션 전환이 발생되지 않은 것으로 판단되면, 설정된 정상 냉방 모드로 동작하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 공조 시스템 제어 방법.
- 냉매를 압축하여 토출하는 압축기;상기 압축기로부터 배출되는 냉매를 공조 모드에 따라 외부열교환기 또는 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 내부열교환기의 주변에 설치되어 냉각수 전기히터를 통해 가열된 냉각수가 공급되며, 상기 내부열교환기를 거쳐 토출되는 공기를 가열하는 히터 코어;상기 HVAC 모듈 내부에 설치되며 상기 내부열교환기로 공기를 송풍하는 블로워 팬;공조 모드에 따라 상기 압축기와 냉각수 전기히터 및 블로워 팬을 제어하는 제어부;를 포함하며,상기 제어부는,현재의 공조 모드가 난방 모드로 설정된 경우, 내부열교환기 건조 모드로의 진입 요청이 수신되면, 내부열교환기 건조 모드로 진입하여 설정시간 동안 상기 내부열교환기의 건조 동작을 수행하고, 내부열교환기 건조 동작이 종료되면 설정된 정상 난방 모드로 동작하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 공조 시스템.
- 제10항에 있어서, 상기 제어부는 상기 내부열교환기 건조 모드로 진입 후,제1단계에서 HVAC 모듈 내부의 히터 코어 및 블로워 팬을 일정시간 작동시켜 내부열교환기의 제습과 실내 난방을 수행하도록 제어하고,제2단계에서 압축기를 설정된 최소 RPM으로 일정시간 동안 작동시켜 내부열교환기의 잔여 수분을 제거하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 공조 시스템.
- 제10항에 있어서, 상기 제어부는 상기 내부열교환기의 건조 동작을 수행하는 중에, 사용자의 조작이나 설정된 조건에 의해 제상 모드 또는 냉방 모드로 변경되거나, 또는 공조 시스템이 오프(OFF)될 경우 내부열교환기의 건조 동작을 중지하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 공조 시스템.
- 제10항에 있어서, 상기 제어부는 배터리 리셋시 상기 내부열교환기 건조 모드로 진입하여 내부열교환기의 건조 동작을 수행하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 공조 시스템.
- 제10항에 있어서, 상기 제어부는 냉방 모드에서 난방 모드로 포지션 전환이 발생된 것으로 판단되면, 상기 내부열교환기 건조 모드로 진입하여 내부열교환기의 건조 동작을 수행하도록 제어하고,냉방 모드에서 난방 모드로 포지션 전환이 발생되지 않은 것으로 판단되면, 설정된 정상 냉방 모드로 동작하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 공조 시스템.
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