이 백서에서는 48V, 400V 또는 800V HEV 및 EV의 새로운 난방과 냉방 제어 모듈을 설명합니다. 예시 및 시스템 블록 다이어그램 등을 통해 이 모듈의 고유한 서브 시스템을 알아보고, HEV 및 EV 구현에 도움이 될 수 있는 서브 시스템의 기능 솔루션을 살펴보도록 하겠습니다.

ICE 탑재 차량에서 엔진은 난방 및 냉방 시스템의 근간입니다. 그림 1은 이러한 개념을 보여줍니다.

<85>냉각</85>의 경우 송풍기에서 나온 공기가 증발기로 들어가고, 이곳에서 냉매가 공기를 냉각시킵니다. 엔진에 의해 구동되는 에어컨(AC) 컴프레서가 냉매를 압축하여 증발기에서 내보냅니다.

비슷하게 난방의 경우 엔진에 의해 생성된 열이 냉각수로 전달됩니다. 이 따뜻한 냉각수가 히터 코어로 들어오면 공기가 가열된 다음 실내로 들어옵니다. 이렇게 엔진은 차량 실내의 난방 및 냉방에서 중요한 역할을 합니다.

그림 1 엔진은 ICE 차량의 난방과냉방 시스템에서 근간 역할을 합니다.

HEV/EV의 경우 연소 엔진의 크기 또는 부재로 인해 그림 2와 같이 HVAC 시스템에서 중요한 역할을 하는 두 가지의 추가 부품을 도입해야 합니다.

1. 브러시리스 DC(BLDC) 모터는 엔진 대신 AC 컴프레서를 회전시키는 DC 모터입니다.
2. PTC 히터 또는 열 펌프는 엔진 대신 냉각수를 가열합니다.

그림 2 HEV/EV의 난방 및 냉방 시스템.

이 부품을 제외한 나머지는 ICE 탑재 차량의 난방 및 냉방 시스템과 동일합니다. 언급한 것처럼 BLDC 모터와 PTC 히터 또는 열 펌프는 엔진이 없는 경우에 필요하지만 소비 전력, 모터 및 저항 히터의 제어, 전체적인 HVAC 제어와 관련하여 다른 문제를 야기할 수 있습니다.

고압 HEV/EV에서 BLDC 모터와 PTC 히터는 모두 고전압 전력을 사용합니다. AC 컴프레서에는 10kW의 전력이 필요할 수 있는 반면 PTC 히터는 5kW의 전력을 소비할 수 있습니다.

그림 3과 그림 4는 각각 AC 컴프레서 BLDC 제어 모듈과 PTC 히터 제어 모듈의 블록 다이어그램입니다. 두 블록 다이어그램 모두 AC 컴프레서 BLDC 모터와 PTC 히터가 고전압 배터리로 구동됨을 보여줍니다. 추가로 이러한 모듈은 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)와 해당 게이트 드라이버를 사용하여 BLDC 모터와 PTC 히터로의 전력을 제어합니다.

그림 3과 그림 4는 또한 두 제어 모듈에서 나머지 서브 시스템 사이의 유사성을 보여줍니다. 두 시스템 모두 전원 공급 서브 시스템, 게이트 드라이버 바이어스 전원 공급 장치, 마이크로컨트롤러(MCU), 통신 인터페이스, 온도 및 전류 모니터링을 포함합니다.

통신용 트랜시버 및 전류 측정용 증폭기와 같이 이러한 제어 모듈에서 사용되는 많은 하위 시스템은 다른 난방 및 냉방 제어 모듈에서 사용되는 하위 시스템과 유사합니다. 하지만 전원 공급 서브 시스템과 게이트 드라이버 서브 시스템은 난방 및 냉방 시스템을 작동하는데 있어서 고유한 제어 모듈을 가지고 있습니다. 이러한 서브 시스템 인터페이스에는 저전압 도메인은 물론 고전압 도메인이 있습니다.

이후 백서에서 이러한 서브 시스템에 사용되는 회로 토폴로지의 기능 블록 다이어그램을 설명합니다. 회로 토폴로지의 선택을 통해 효율성, 전력 밀도 및 전자기 간섭(EMI)과 같은 시스템 설계 요구 사항은 물론 하위 시스템 기능을 달성해야 합니다.

그림 3 고전압 AC 컴프레서 BLDC 모터 제어 모듈의 블록 다이어그램.

그림 4 고전압 PTC 히터 제어 모듈의 블록 다이어그램.

고전력 PTC 히터를 사용하여 실내를 가열하는 것의 대안으로 그림 5와 같이 냉각 회로를 열 펌프로 사용하는 것이 있습니다. 이 모드에서 역방향 밸브가 냉매의 흐름을 역방향으로 바꿉니다. 추가로 시스템에 냉매의 흐름을 조절하는 다른 밸브가 있을 수 있습니다. 열 펌프의 밸브는 예를 들어 스테퍼 모터를 사용하여 제어됩니다.

그림 5 열 펌프 시스템.

열 펌프 기반 난방 및 냉방 시스템에서 다음 밸브가 사용됩니다.

• 확장 밸브는 냉매 흐름을 제어합니다. 콘덴싱 장치의 고압 액체 냉매를 증발기의 저압 가스 냉매로 변환하는 데 도움이 됩니다. 전자 확장 밸브는 주로 부하 변동에 대해 더욱 빠르고 정확한 대응이 가능하고 특히 스테퍼 모터를 사용하여 확장 밸브를 제어할 때 냉매 흐름을 더욱 정밀하게 제어할 수 있습니다.
• <116>차단 및 역방향 밸브</116>는 냉매의 방향 또는 경로를 변경하여 난방과 냉방 모드 모두에서 일부 요소의 역방향 사이클과 우회가 가능하게 합니다. 솔레노이드 드라이버 또는 브러시드 DC 모터가 차단 및 역방향 밸브를 제어할 수 있습니다.

그림 5에서 열 펌프가 계속해서 이전 섹션에서 설명한 AC 컴프레서 모듈을 사용한다는 것을 추측할 수 있습니다. 추가로 열 펌프 시스템은 모터 드라이버 모듈을 사용하여 밸브를 구동합니다. 이로 인해 냉매 흐름용 밸브 구동이라는 설계 상의 문제가 발생합니다.

그림 6은 밸브 구동에 사용되는 모터 드라이버 모듈의 일반적인 블록 다이어그램을 보여줍니다. 이 다이어그램은 스테퍼 모터 드라이버를 보여줍니다. 모터가 브러시 DC 모터 인 경우 브러시 DC 모터 드라이버가이 블록 다이어그램에서 스테퍼 모터 드라이버를 대신합니다. 모터 드라이버 모듈의 설계 요구 사항에는 전력 밀도와 EMI가 포함됩니다.

그림 6 스테퍼 모터 드라이버의 블록 다이어그램.

그림 7은 HVAC 제어 모듈에 대한 일반적 블록 다이어그램입니다. HVAC 제어 모듈은 고전압 배터리와 BLDC 모터 및 PTC 히터의 연결 및 연결 해제에 사용되는 고전압 접촉기를 제어합니다. 블록 다이어그램은 또한 댐퍼 모터 제어, 제상 히터, 통신 인터페이스와 전원 공급 서브 시스템을 보여줍니다.

그림 7 HVAC 제어 모듈.

주변 온도에 따라 고전압 배터리의 가열 또는 냉각이 필요할 수 있습니다. 실내 난방 및 냉방에 사용하는 것과 동일한 시스템을 사용할 수 있습니다. 또는 별도의 히터가 배터리로 흐르는 냉각수를 가열할 수 있습니다. 차가운 온도에서 배터리를 가열하는 데에도 사용되는 이 냉각수는 배터리로부터 열을 추출하고 열을 교환기로 전달하여 실내 공기를 가열할 수 있습니다. 이러한 시스템에서 스테퍼 모터는 배터리 배관과 열 교환기를 흐르는 냉각수 경로를 조절하는 추가 밸브를 제어합니다.

이전에 설명한 것과 같이 HEV/EV의 새로운 난방 및 냉각 시스템 내 추가 제어 모듈에는 이러한 제어 모듈에 고유한 서브 시스템이 포함됩니다. 전원 공급 장치, 게이트 드라이버와 스테퍼 모터 밸브 드라이버가 냉매 흐름 제어에 사용됩니다.

이 섹션에서는 고전압 AC 컴프레서와 PTC 히터 컨트롤 모듈에서 이러한 서브시스템의 회로 위상에 대한 일반적인 기능 블록 다이어그램을 살펴볼 예정입니다. 이러한 토폴로지는 HEV/EV의 절연 장벽 및 EMI 등의 고유한 문제를 처리해야 하는데, 이는 다음 섹션에서 설명될 예정입니다.