KR100348588B1 - 차량용 냉각장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량용 냉각장치에 관한 것으로서, 방열기에서의 방열량을 계측하는 방열량 계측 수단과; 엔진, 변속기, 제동장치 등 발열장치의 발열량을 예측하는 발열량 추정 수단과; 상기 방열량 계측 수단에서 계측된 방열량과 상기 발열량 추정 수단에서 추정된 발열량을 비교하여 열평형 오차량을 구하는 한편 추정된 발열량과 열평형을 이룰 수 있도록 하기 위한 방열량 추종치를 계산하는 열평형 비교수단과; 상기 냉각장치 열평형 비교에 의해 방열장치와 발열장치의 상태변화를 학습하고 적응제어하는 수단과; 상기 열평형 비교수단에서 계산된 방열량 추종치를 방열하도록 냉각팬 구동을 제어하는 냉각팬 제어수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하며, 냉각수 온도를 가능한 고온으로 유지하여 방열기의 냉각효율을 높이고 냉각팬의 속도를 가능한 낮게 유지하여 냉각팬의 소요동력을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

Description

차량용 냉각장치{COOLING SYSTEM FOR VEHICLES}

본 발명은 차량용 냉각장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 냉각수 온도를 가능한 고온으로 유지하여 방열기의 냉각효율을 높이고 냉각팬의 속도를 가능한 낮게 유지하여 냉각팬의 소요동력을 최소화하는 냉각장치에 관한 것이다.

차량용 냉각장치는 엔진과 변속기 등 동력장치에서 발생되는 열을 냉각하여동력장치를 적당한 온도로 유지하는 장치이다. 차량용 동력장치의 엔진 실린더 내부의 연소가스 온도는 2000℃ 이상 올라가며, 이에 따라 실린더, 실린더 헤드, 피스턴 밸브등의 온도가 높아지게 된다. 이를 방치하는 경우에는 부품 재료의 강도 저하로 인한 고장이나 수명 단축을 가져옴은 물론, 연소상태 악화로 기관의 출력저하를 초래하게 되며, 기계적 마찰부에서의 유막 파손이나 고온으로 인한 오일 변질등으로 이상 마모가 일어나거나 섭동부가 소착되는 현상이 발생할 수 있다. 따라서 동력장치를 냉각하는 냉각장치가 필요하다. 한편, 과도한 냉각에 의해 동력장치의 온도가 너무 낮은 경우에는 배기가스가 나빠지고 엔진의 열효율이 저하되므로 냉각장치는 동력장치의 온도를 높지도 낮지도 않은 적정한 온도로 유지하는 기능이 필요하다.

동력장치의 온도가 적정한 온도로 유지되도록 냉각하는 방식은, 외부 공기로 기관을 냉각하는 공냉식과 냉각수를 순환시켜 냉각하는 수냉식으로 대별할 수 있는데, 냉각성능이 보다 우수한 수냉식 냉각장치가 일반적으로 사용된다.

수냉식 냉각장치는 엔진등 동력장치 외부에 설치된 물재킷 내부로 저온의 냉각수를 흐르게 하여 동력장치를 적당한 온도로 냉각하고, 이 과정에서 가열되어 고온으로 된 냉각수를 방열기(radiator)로 보내어 방열기에서 열을 방출하여 동력장치의 냉각에 적합한 저온의 냉각수가 되도록 하며, 이렇게 저온으로 된 냉각수를 펌프를 사용하여 다시 동력장치 쪽의 물재킷으로 보내어 동력장치를 냉각하는 것을 반복적 순환적으로 행하도록 하는 장치이다. 상기 방열기의 일측에는 냉각팬이 설치되어 있어 냉각수를 식히기 위한 냉각공기를 방열기 쪽으로 보내며, 방열기에서는 이러한 냉각공기와 냉각수 간의 열교환이 일어나게 된다.

도 1에 도시한 바와 같이, 냉각팬의 회전에 소요되는 냉각소요마력과 냉각팬의 회전에 의해 방열기로 공급되는 냉각공기유량은 냉각팬의 속도와 비선형 관계가 있는데, 특히 냉각소요마력은 냉각팬 속도의 대략 세제곱에 비례하는 것으로 알려져 있다. 따라서 냉각팬의 작동속도를 낮추면 냉각소요마력을 크게 감소시킬 수 있다. 한편, 동력장치를 떠나 방열기로 유입되는 냉각수의 온도, 즉 방열기 입구측의 냉각수 온도가 높을수록 냉각공기와의 온도차가 커서 방열기로부터 냉각공기로의 열전달이 신속하게 이루어질 수 있어 방열효과 내지 냉각효과가 높으므로 보다 적은 유량의 냉각공기로 충분하게 냉각가능하고 이에 따라 냉각팬의 속도를 낮출 수 있게 된다. 이와 같이, 방열기의 냉각수 온도를 높은 상태로 유지하는 것이 냉각팬의 속도 감소 및 그로 인한 냉각소요마력의 감소를 가져올 수 있다는 것은 분명하다.

도 1 에서 예시하면, 방열기의 냉각수 온도를 높게하여 냉각공기유량이 Q₁에서 Q₂로 감소되었다면 냉각팬의 속도는 n₁에서 n₂로 낮출 수 있게 될 것이다. 한편, 이렇게 냉각팬의 속도를 동일한 크기 만큼 낮추더라도 냉각팬의 제어방법에 따라 냉각소요마력의 변화량에는 차이가 있게 된다.

첫째로, 단순 속도제어방식으로 온/오프 제어하는 방식이 있는데, 이 방식은 냉각팬을 온(on)과 오프(off)만 시키는 가장 단순한 제어형태로서, 냉각팬을 온/오프로 반복하여 제어하므로서 냉각팬의 시간에 대한 평균속도가 n₁이 되게 하는 것이다. 평균속도에 비례하여 냉각팬이 온 상태를 유지하는 시간이 길어지게 되며 냉각소요마력은 평균속도에 비례하게 되어 다음과 같은 관계식이 성립된다.

이 식에서 볼 수 있는 바와 같이, 이 방식은 냉각공기유량의 변화에 비례해서 냉각소요마력이 감소하는 경향이 있기는 하나, 냉각소요마력과 팬속도간에 1:1의 정비례관계에 그치고 있으므로 냉각수 온도 증가에 따라 냉각소요마력이 HPd1 에서 HPd2 로 감소되는 폭이 작아서 방열기 냉각수 온도를 높게하여 얻는 이점이 크지 않다.

둘째로, 무단속도제어방식이 있는데, 이는 같은 냉각공기유량인 경우에도 상기 단순속도제어방식에 비해 냉각소요마력을 낮출 수 있는 효율적인 방식이다. 앞서 설명한 예를 적용하면 냉각공기유량이 Q₁에서 Q₂로 감소되었다면 냉각팬의 속도를 n₁에서 n₂로 낮출 수 있게 되며, 냉각수 온도 증가에 따른 냉각소요마력의 변화는 HPc1 에서 HPc2 로 감소되어 팬속도의 세제곱에 비례하여 냉각소요마력이 감소하게 되며, 이를 식으로 표현하면 다음과 같다.

이 경우에는 방열기 냉각수 온도 변화에 따라 냉각소요마력의 변화가 대단히 민감하게 나타나며, 냉각공기유량을 약간만 낮추어도 냉각소요마력은 매우 크게 감소하게 된다. 따라서, 방열기의 냉각수 온도를 높게 유지하여 냉각장치의 효율을 높게하기 위해서는 냉각팬의 제어방식이 무단속도제어방식이어야 효과적임을 알 수 있다.

종래의 냉각제어방법에서는 과열의 위험을 방지하기 위해서 최적 냉각수 온도보다 낮게 냉각수 온도를 유지하며, 냉각수 온도에 따라 다양한 방법으로 냉각팬의 속도를 조절하고 있었다. 종래의 냉각제어방법의 주종은 첨부된 도 2에서 도시된 바와 같은 다단계 속도제어방식이었다. 이 제어방식에서는, 디지털제어인 경우에는 참조표(lookup table)를 이용하여 냉각수 온도에 따라 냉각팬 속도가 정해지고, 순차제어인 경우에는 써모스탯 스위치(thermostat switch)에 의해 냉각팬 속도가 제어된다. 냉각팬의 제어속도는 대략 4단계로 구성되어 진다. 도 2에 도시된 바와 같이 냉각수 온도의 변동폭이 크기 때문에 평상시에 최적온도보다 많이 낮은 상태로 냉각수 온도가 제어된다. 이러한 제어방식은 미국특허 제4,955,431호, 미국특허 제5,018,484호, 미국특허 제5,133,302호, 대한민국특허 제0185443호 및 대한민국특허공개 제1998-053909호에 개시되어 있다.

한편, 종래의 무단속도 가변식 냉각팬 속도제어는 작동온도에 비례하여 냉각팬 속도가 동작되는 제어방식이다. 이 방식은 다단계 속도제어보다 냉각수 온도를 최적온도에 근접시킬 수 있으나, 냉각수 온도의 변동폭이 여전히 큰 상태이므로 냉각수 온도를 최적온도보다 5 내지 10도 이상 낮추어 유지하여야 한다. 종래의 무단속도 가변식 제어방식은 냉각수 온도에 비례제어하는 방식으로 미국특허 제4,348,990호와 대한민국특허공개 제1998-053078호에 개시되어 있다.

이상의 내용에서 냉각팬의 속도를 저속으로 유지하면 냉각소요마력이 최소화되고, 방열기의 냉각수 온도를 높게 유지하는 것이 냉각소요마력을 낮출 수 있다는 사실을 살펴보았지만 기존의 냉각장치에서 이러한 제어방식이 구현되지 못하는데는 다음과 같은 몇 가지의 이유가 있었다.

첫째로, 냉각장치의 시간지연 특성현상이다. 차량이 운행중일 때에는 일정한 부하가 유지되지 못하고 외부 환경에 따라 엔진과 변속기의 상태가 급속히 변하게 된다. 그런데, 외부 환경의 급격한 변화에 의해 동력장치 즉, 발열원의 발열량이 크게 바뀌게 되더라도, 그로 인해 가열된 냉각수 온도를 바람직한 냉각수 온도로 냉각시키는데는 시간지연(time delay)이 있게 된다. 즉, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, t₁시각에 냉각팬이 작동하기 시작하여 t₃시각에 냉각팬이 중지되어도, 냉각수 온도는 즉시 낮아 지지 못하고 t₁시각에서 일정 시간 경과한 t₂시각까지 상승하여 가장 높게 되고 또한 t₃시각에서 일정 시간 경과한 t₄시각에 가장 낮게 되는 것이다. 이러한 시간지연으로 인해서 냉각팬을 급속히 작동하여도 냉각수 온도가 즉시 내려가지 않고 일정시간 동안 지속적으로 상승하여 과열상태가 될 수 있으므로 종래에는 이를 감안하여 방열기의 냉각수 온도를 낮추어 사용할 수밖에 없었던 것이다.

둘째로, 외부 환경의 불확실성이다. 대기온도의 변화에 따라 방열기의 방열효율은 크게 달라지며 같은 발열량인 경우에도 대기온도에 따라 냉각팬의 속도는 다르게 된다. 특히 대표적인 외부환경의 불확실성으로 대기습도와 대기압력에 의한 방열매체 열전달특성의 변화와, 차량제동과 엔진제동 및 에어컨 작동에 따른 발열량의 급격한 변화와, 차량주행에 의한 냉각팬 구동효율의 변화 등이 있다. 단순히 냉각수 온도만을 기준으로 냉각팬의 속도를 결정하기에는 차량의 운행환경에 대한 불확실성이 매우 큰 문제가 있었던 것이다.

셋째로, 발열장치와 방열기의 노후화에 따른 작동환경의 변화이다. 발열장치인 엔진과 변속기가 노후되어 작동효율이 저감되면 발열량이 증가되며, 방열기의 노후화에 따라 방열효율이 저하되기도 한다. 이러한 경우에 초기상태의 냉각장치는 문제가 없지만 노후화에 의해 과열이 될 수 있으므로 노후화를 고려하여 냉각수 온도를 최적상태에서 낮추어 여유를 두고 작동온도를 설정하였던 것이다.

상기 이유들로 인해 기존의 냉각장치는 최적의 냉각효율을 얻을 수 있는 냉각수 온도보다 낮은 온도의 냉각수 온도를 사용하고 있었던 것이다.

따라서, 상기한 바와 같은 문제점을 인식하여 창출된 본 발명의 목적은 냉각장치의 시간지연 특성 현상에 의한 과열의 우려가 없어 최적의 냉각효율을 얻을 수 있는 높은 냉각수 온도를 사용할 수 있으며, 그에 따라 방열기의 방열효율이 향상되고 냉각팬의 소요동력을 최소화할 수 있는 차량용 냉각장치를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 차량의 운행환경 등 외부환경의 변화가 냉각팬 속도 조절을 위한 고려 요소로 반영될 수 있음에 따라 외부환경의 불확실성을 감안한 낮은 냉각수 온도가 아니라 최적의 냉각효율을 얻을 수 있는 높은 냉각수 온도를 사용할 수 있으며, 그에 따라 방열기의 방열효율이 향상되고 냉각팬의 소요동력을 최소화할 수 있는 차량용 냉각장치를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 발열장치와 방열기의 노후화 등 작동환경의 변화가 냉각팬의 속도 조절을 위한 고려 요소로 반영될 수 있음에 따라 노후화를 감안한 낮은 냉각수 온도가 아니라 최적의 냉각효율을 얻을 수 있는 높은 냉각수 온도를 사용할 수 있으며, 그에 따라 방열기의 방열효율이 향상되고 냉각팬의 소요동력을 최소화할 수 있는 차량용 냉각장치를 제공하고자 하는 것이다.

도 1 은 냉각팬 속도와 냉각소요마력 및 냉각공기유량의 일반적 관계를 나타낸 그래프이고,

도 2 는 종래의 다단계 속도제어식 냉각장치의 제어특성도이며,

도 3 은 냉각시스템의 시간지연 특성을 보인 그래프이고,

도 4 는 본 발명의 일실시예에 따른 냉각장치의 블록구성도를 보인 것이고,

도 5 는 본 발명의 실시예에 따른 냉각장치의 제어특성도를 보인 것이고,

도 6 은 본 발명의 실시예에 따른 냉각장치의 제어를 보인 블록구성도이고,

도 7 은 본 발명의 실시예에 따른 열평형 예견제어를 보인 블록구성도이고,

도 8 은 본 발명의 실시예에 따른 냉각장치의 제어흐름도이다.

상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 방열기에서의 방열량을 계측하는 방열량 계측 수단과; 엔진, 변속기, 제동장치 등 발열장치의 발열량을 예측하는 발열량 추정 수단과; 상기 방열량 계측 수단에서 계측된 방열량과 상기 발열량 추정 수단에서 추정된 발열량을 비교하여 열평형 오차량을 구하는 한편 추정된 발열량과 열평형을 이룰 수 있도록 하기 위한 방열량 추종치를 계산하는 열평형 비교수단과; 상기 냉각장치 열평형 비교에 의해 방열장치와 발열장치의 상태변화를 학습하고 적응제어하는 수단과; 상기 열평형 비교수단에서 계산된 방열량 추종치를 방열하도록 냉각팬 구동을 제어하는 냉각팬 제어수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 차량용 냉각장치가 제공된다.

이하에서 본 발명의 이론적 배경과 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다.

상기한 바와 같이 종래 냉각장치에서 최적의 냉각효율을 얻을 수 있는 높은 냉각수 온도를 사용할 수 없었던 데에는 크게 세가지의 문제점 내지 이유가 있었던 바, 그 각각에 대응하여 본 발명에서 문제해결책으로 개발된 방안은 다음의 세가지이다.

첫째로, 냉각장치의 시간지연을 최소화하기 위하여 열평형을 고려한 냉각장치의 예견제어가 제공된다. 종래의 냉각제어는 냉각수 온도를 기준으로 방열량을 조절하였으나, 열평형을 고려한 예견 냉각제어방식은 엔진과 변속기 등 발열장치의 발열량을 예측하여 예측된 발열량에 맞는 방열량이 발생되도록 냉각팬을 미리 작동시키는 것이다. 즉, 발열량 증가에 따른 냉각수 온도 상승의 시간지연과 방열량 상승에 따른 냉각수 온도 저하의 시간지연을 상쇄시키기 위하여 발열량 추정기에 의한 예상 발열량 변화에 따라 냉각팬을 미리 작동시켜 냉각수 온도를 고온상태로 일정하게 유지하는 것이다. 냉각수 온도를 기준으로 냉각팬을 제어할 때의 필연적 현상인 발열과 방열의 이중적 시간지연 문제를 극복하여 냉각수 온도를 고온으로 유지하는 방법으로 본 발명에 채용된 것이 열평형을 고려한 냉각장치의 예견제어인 것이다.

둘째로, 방열량의 실시간 계측과 발열량의 적응형 추정기로 외부 환경의 불확실성을 최소화하는 것이다. 방열량의 계측을 위하여 방열기의 입구와 출구에 정밀 온도센서를 설치하고 냉각수 펌프의 속도를 입력한다. 정확한 방열량의 실시간 계측을 통하여 발열량 추정기를 적응시킬 수 있다. 이 방법은 시스템 열평형에 기초를 두고 있으며, 정밀 온도센서의 적용예로는 반도체 온도센서가 가능하다. 차량 운행환경시 대기환경의 변화에 따른 방열효율의 변화는 방열량의 실시간 계측으로 해결이 되며, 차량제동과 엔진제동 등에 따른 발열량의 급격한 변화는 발열량 추정기로 예측하는 방법이다. 발열량 추정기는 계측된 방열량에 따라 발열량 추정기를 학습시키는 적응형 추정기가 필요하며, 뉴로퍼지(neuro-fuzzy)방식의 발열량 추정기 혹은 유전알고리즘(genetic algorithm)방식의 발열량 추정기 등의 적응성이 우수한 지능제어방식의 발열량 추정기가 적용가능하다. 따라서, 외부환경의 불확실성을 최소화하여 내연기관의 과열을 방지하기 위해 본 발명에 채용된 것이 방열량의 정밀계측과 지능제어방식의 발열량 추정기이다.

셋째로, 방열장치와 발열장치의 노후화에 의한 냉각시스템의 변화는 학습제어로 대처하는 것이 가능하다. 즉, 노후화에 따른 작동환경의 변화는 냉각시스템의 열평형에 기초를 두는 방열인자와 발열인자의 학습제어로 대응이 가능한 것이다. 방열기 효율과 냉각수 펌프효율 및 냉각팬 효율 등의 방열인자의 변화는 방열량의 정밀계측을 통하여 학습제어로 보정하고, 발열 인자들의 변화는 발열량 추정기에 의해 검지되는 발열인자의 노후화에 따른 변화를 통해 학습제어로 보정한다.

이상의 개념으로 구성된 본 발명의 일실시예에 따른 고효율 냉각장치의 블록 구성도가 도 4에 도시되어 있는 바, 본 발명의 냉각장치는, 냉각제어기가 엔진제어기와 변속제어기에서 엔진과 변속기의 작동상태를 감시하고 방열기의 입구온도와 출구온도 및 냉각수 순환펌프속도로부터 방열량을 계측하고 냉각팬의 속도를 제어하는 구조로 되어 있다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 냉각장치의 제어특성도를 보인 것인 바, 도 2와 도 3에 도시된 종래 냉각장치의 제어특성에 비하여 냉각수의 온도가 고온에서 안정화되어 냉각수 팬의 속도가 보다 낮게 유지되어 냉각소요마력이 많이 감소됨을 알 수 있다. 발열량의 급격한 증가에 맞추어 방열량을 예견하여 냉각팬 속도를 높이므로써 시간지연에 따른 냉각수 온도변화를 감소시키며 냉각수 온도가 고온으로 유지될 수 있어 냉각효율이 크게 증대된다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 냉각제어장치의 블록구성도이다. 냉각제어장치는 마이크로 컨트롤러에 의하여 디지털제어 방식으로 구성되어 있으며, 외부 환경에 따라 학습된 방열인자와 발열인자를 저장하는 학습결과 백업용 저장장치가 포함되어 있으며, 열평형 예견제어 및 입출력 신호처리 등을 수행하는 프로그램이 저장된 프로그램 저장장치가 포함되어 있다. 또한 냉각팬 속도, 방열기 입구온도, 방열기 출구온도, 냉각수 펌프속도, 엔진 스로틀, 엔진 회전수, 변속기 상태, 차량속도 및 제동신호의 입력신호를 처리하는 입력신호 처리부가 입력신호의 증폭과 디지털화의 작업을 수행하며, 냉각팬 구동장치를 제어하는 출력신호 처리부는 구동신호를 증폭하는 입출력 인터페이스 회로를 포함한다.

본 발명에서의 핵심적인 요소인 열평형 예견제어에 대한 블록구성도가 도 7에 도시되어 있다. 열평형 예견제어의 전제조건인 정확한 방열량 계측은 방열기 출구온도와 입구온도의 온도차 및 냉각수 유량을 입력신호로 하여 계산이 가능하다. 열평형 예견제어의 중요한 부분인 발열량 추정수단은 엔진 발열량 계산부와 변속기 발열량 계산부 및 추가발열량 추정부로 구성된다. 상기 엔진 발열량 계산부는 엔진의 스로틀 위치와 엔진 회전수를 입력으로 엔진 발열량을 추산하며, 변속기 발열량 계산부는 차량속도와 변속효율맵과 정유압장치의 토출량(스트로크)와 엔진출력 및 제동상태를 입력으로 변속기 발열량을 추산한다.

한편, 추가발열량 추정부는 엔진과 변속기의 형태에 알맞은 추정기를 사용하는데, 지능제어형 추정기와 칼만(Kalman) 추정기 등이 사용가능하다. 추가발열량 추정부는 제동에너지의 발열량 변환을 기본모델로 하여 외부 환경의 불확실성에 의한 엔진과 변속기의 발열량 계산의 비선형 부분을 추정하고, 에어컨 작동과 유압기기의 발열량과 같은 예측하지 못하는 불확실한 발열량을 추정한다. 추가발열량 추정기의 이론적 배경은 냉각수 온도가 되먹임 제어에 의하여 안정화되면 즉, 열평형 상태가 유지되면 동력장치의 총 발열량과 총 방열량은 같다는 것에 기본을 두고 있다. 여기서, 방열량은 방열기 입구와 출구의 온도차와 냉각수 유량에 의하여 실시간 계측이 가능하므로 추가발열량 추정기는 계측된 방열량을 기준으로 발열량 추정기를 외부 환경에 맞추어 적응시킬 수 있다.

발열인자 적응수단은 방열량과 발열량의 차이를 최소화하는 방향으로 발열인자를 적응한다. 즉, 냉각수 온도가 안정화되는 상태에서 열평형이 유지되면 방열량과 발열량의 차이가 없어지게 되는 특성을 이용하여 발열인자의 실시간 적응이 가능하게 된다. 여기서, 적응되는 발열인자는 추가발열량과 엔진과 변속기의 발열량 계수 등이다.

상기 구성요소와 아울러, 설정된 냉각수 온도를 추종온도로 유지하도록 방열량을 예견제어하며 계산된 방열량이 정확하게 발산될 수 있도록 냉각팬을 제어하는 냉각팬 제어수단이 필요하다. 예견제어를 구현하는데 있어서 해결해야할 중요한 변수중의 하나가 계산된 방열량 추종치를 정확하게 따라가는 냉각팬 속도제어인데, 앞서 서술한 바와 같이 대기온도와 습도 등의 외부환경 불확실성에 의해 방열량과 냉각팬 속도의 관계는 항상 변동하게 되며, 따라서, 이러한 관계 인자를 실시간 학습하는 방열인자 학습수단이 필요하다.

방열인자 학습수단은 방열량 추종치와 계측된 방열량간의 방열제어오차를 최소화하는 방향으로 구성되어 있다. 외부 환경의 불확실성에 의하여 발생되는 냉각팬의 방열제어오차를 줄이기 위해서는 방열인자의 실시간 학습이 중요하다. 여기서 학습되는 방열인자로는 냉각팬의 방열계수가 가장 중요한 인자이며, 냉각장치의 특성에 따라 학습량의 크기가 조정되어야 한다.

이상과 같이 서술된 본 발명의 주요 구성블록을 마이크로 컨트롤러에 기초하여 구현하는 냉각장치의 제어흐름도가 도 8에 도시되어 있다. 이 제어흐름도에서 볼 수 있는 바와 같이, 처음으로 수행하는 내용은 프로그램의 초기화와 학습인자의 복원이다. 이것은 마이크로 컨트롤러의 프로그램을 수행하기 위한 준비작업으로 각종 변환인자의 초기계산과 마이크로 컨트롤러의 각종 제어인자 설정 등이 될 수 있으며, 방열기에 관계된 학습인자와 발열량 추정기에 관계된 발열인자의 이전 학습결과를 읽고 각 제어변수를 복원하는 것이 포함된다. 각종 학습인자의 복원 뒤에 냉각수 온도가 설정된 온도에 도달할 때까지 대기하는 것도 포함된다.

열평형 계산을 위하여 우선 방열량을 계측하며, 방열기의 입구온도와 출구온도를 계측한다. 여기서 방열기의 온도센서는 비교적 정밀하고 선형성이 우수한 반도체 온도센서를 사용하는 것이 바람직하다. 방열량의 정밀한 계측이 열평형에 기반을 둔 예견제어에서 대단히 중요한 요소이다. 특히 방열량 계측의 비선형이 최소화되는 온도센서가 필수적이며, 초기의 온도차를 보정하는 것도 대단히 중요한 것이다.

방열량을 계측하기 위하여는 방열기를 통과한 냉각수의 온도차와 유량이 필요하며, 방열기 통과유량은 냉각수 펌프의 회전수에 펌프의 토출량을 곱하여 계산된다. 냉각수 펌프의 회전수는 엔진 회전수로부터 계산이 되며 비례관계에 있다. 최종 방열량은 방열계수가 고려되어 산출되며 계산식은 다음과 같다.

계측된 방열량[k] = 방열계수 × 방열기 입출구 온도차 ×냉각수 유량

엔진과 변속기의 발열량을 추산하기 위하여 엔진제어기와 변속제어기와의 통신으로 엔진 제어상태와 변속기 제어상태를 읽는다. 엔진의 발열량은 엔진 스로틀과 엔진 회전수의 함수로 계산되며, 대기조건에 따른 엔진 발열량의 변화는 추가발열량의 항으로 고려되어 발열량 추정기를 통하여 추산한다. 엔진 발열량 추산식은 엔진의 연비맵과 출력맵을 이용하여 3차원 함수식을 만들고 엔진의 스로틀과 엔진회전수의 매개변수에 의하여 엔진 발열량을 추정하는 방식을 사용한다.

변속기의 발열량은 변속기의 상태식인 변속기 스트로크와 변속영역에 따른 변속 효율맵과 엔진출력으로 변속발열량을 추산하고 차량속도로부터 감가속량을 계산하여 제동발열량을 계산하여 구한다. 변속발열량을 계산하기 위한 변속효율맵은 차량속도에 대한 1차원 맵으로 구할 수도 있으나, 보다 정확한 변속발열량을 구하기 위해서는 차량속도와 엔진출력의 2차원 맵으로 구하는 것이 바람직하다. 변속발열량은 엔진출력과 변속효율에 의하여 다음의 식으로 구하여진다.

변속발열량 = 엔진출력[스로틀, 엔진회전수] ×(1 - 변속효율[차량속도, 엔진출력])

차량이 제동장치에 의해 제동되는 경우에, 제동장치가 변속기에 내장되어 있는 유체식 제동기인 리타더(retarder)가 있는 변속기의 경우에는 제동발열량이 다음과 같이 구하여 진다.

제동발열량 = 발열계수 ×(이전속도²- 현재속도²)

추가발열량은 총 방열량과 총 발열량이 같다는 열평형에 기초를 두어 미지의 발열량에 대해 추정기를 이용하여 계산한다. 이전의 열평형차이를 입력으로 지능형추정기 혹은 칼만(Kalman) 추정기에서 추가발열량을 추산한다. 추가발열량 추정기 추산식은 디지털 칼만 회귀추정기를 일예로 하면 다음과 같다.

추가발열량[k+1] =A×추가발열량[k] +L×열평형오차[k]

여기서,A는 시스템의 특성에 따른 상태벡터이고L은 칼만 게인벡터이다. 또한,추가발열량[k]는 벡터함수로 시스템의 특성에 따라 차수가 결정된다.

이상에서 구한 발열량의 합이 총 발열량으로 다음과 같다.

총 발열량[k] = 엔진발열량 + 변속발열량 + 제동발열량 + 추가발열량

앞의 총 발열량으로부터 열평형 오차량을 계산하면 다음과 같으며, 여기서 τ는 발열과 방열의 시간지연량이다.

열평형 오차량[k+1] = 총 발열량[k-τ] - 계측된 방열량[k]

냉각팬 속도제어는 퍼지제어기를 이용하여 열평형 오차량과 냉각수 목표온도 오차량의 2차원 퍼지제어기로 냉각팬의 속도를 제어한다. 즉, 퍼지제어기를 2차원 함수형태로 멤버쉽함수를 만들어 퍼지룰을 구성하는 것이다. 냉각팬 퍼지속도제어기의 결과는 다음과 같이 구하여진다.

냉각팬 제어속도 변화량 = 냉각팬 방열계수[냉각팬속도] ×Fuzzy2D[열평형 오차량, 냉각수 온도 오차량]

여기서, 냉각수 온도 오차량은 설정된 냉각수 온도와 현재의 냉각수 온도의 차이량이다. 냉각팬 계수는 대기환경의 변화에 따라 학습되는 방열인자로서 냉각팬의 속도에 따른 1차 함수식이다. 냉각팬 계수식은 냉각팬의 속도에 따라 몇 단계로 나누어지는 구간 1차식으로 구성되어 있으며, 학습에 의하여 냉각팬 속도에 해당되는 구간의 냉각팬 계수식이 학습된다. 학습된 방열인자와 추가발열량의 적응결과는 램(RAM) 메모리에 저장되며, 일정시간 혹은 일정학습마다 비휘발성 메모리에 저장되어 시스템 초기화시에 각 인자들이 복원된다.

한편, 냉각팬의 구동하는 방식은 유압구동장치를 사용하거나 또는 전기모터를 사용할 수 있다.

본 발명의 차량용 냉각장치를 사용하면 냉각장치의 시간지연 특성 현상에 의한 과열의 우려가 없어 최적의 냉각효율을 얻을 수 있는 높은 냉각수 온도를 사용할 수 있으며, 그에 따라 방열기의 방열효율이 향상되고 냉각팬의 소요동력을 최소화할 수 있게 된다.

또한, 차량의 운행환경 등 외부환경의 변화가 냉각팬 속도 조절을 위한 고려 요소로 반영될 수 있음에 따라 외부환경의 불확실성을 감안한 낮은 냉각수 온도가아니라 최적의 냉각효율을 얻을 수 있는 높은 냉각수 온도를 사용할 수 있으며, 그에 따라 방열기의 방열효율이 향상되고 냉각팬의 소요동력을 최소화할 수 있게 된다.

또한, 발열장치와 방열기의 노후화로 인한 작동환경의 변화가 냉각팬의 속도 조절을 위한 고려 요소로 반영될 수 있음에 따라 노후화를 감안한 낮은 냉각수 온도가 아니라 최적의 냉각효율을 얻을 수 있는 높은 냉각수 온도를 사용할 수 있으며, 그에 따라 방열기의 방열효율이 향상되고 냉각팬의 소요동력을 최소화할 수 있게 된다.

Claims (18)

1. 방열기에서의 방열량을 계측하는 방열량 계측 수단과; 엔진, 변속기, 제동장치 등 발열장치의 발열량을 예측하는 발열량 추정 수단과; 상기 방열량 계측 수단에서 계측된 방열량과 상기 발열량 추정 수단에서 추정된 발열량을 비교하여 열평형 오차량을 구하는 한편 추정된 발열량과 열평형을 이룰 수 있도록 하기 위한 방열량 추종치를 계산하는 열평형 비교수단과; 상기 냉각장치 열평형 비교에 의해 방열장치와 발열장치의 상태변화를 학습하고 적응제어하는 수단과; 상기 열평형 비교수단에서 계산된 방열량 추종치를 방열하도록 냉각팬 구동을 제어하는 냉각팬 제어수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 차량용 냉각장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 방열량 계측 수단은, 온도센서로 방열기 입출구의 냉각수 온도차를 계측하고 엔진회전수로부터 냉각수 유량을 추산하여 방열량을 계측하는 것을 특징으로 하는 차량용 냉각장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 온도센서는 반도체 온도센서인 것을 특징으로 하는 차량용 냉각장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 발열량 추정 수단은 엔진의 발열량 모델, 변속기의 발열량 모델 및 제동장치의 발열량 모델과, 상기 모델의 오차와 미지의 발열량을수용하는 추가발열량 추정기로 구성되는 것을 특징으로 하는 차량용 냉각장치.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 엔진의 발열량 모델은 엔진스로틀과 엔진회전수를 입력으로 하여 엔진의 출력과 엔진의 발열량을 계산하는 것을 특징으로 하는 차량용 냉각장치.
6. 제 4 항에 있어서, 상기 변속기 발열량 모델은 차량 속도와 엔진 회전수 및 엔진출력을 입력으로 변속효율맵을 구하여 변속기의 발열량을 계산하는 것을 특징으로 하는 차량용 냉각장치.
7. 제 4 항에 있어서, 상기 제동장치 발열량 모델은 차량속도변화로부터 차량의 운동에너지 변화량을 산출하여 제동장치 발열량을 계산하는 것을 특징으로 하는 차량용 냉각장치.
8. 제 4 항에 있어서, 상기 추가발열량 추정기는 냉각장치 열평형에 기초하여 구성되는 것을 특징으로 하는 차량용 냉각장치.
9. 제 4 항에 있어서, 상기 추가발열량 추정기는 뉴로퍼지 방식의 추정기로 구성되는 것을 특징으로 하는 차량용 냉각장치.
10. 제 4 항에 있어서, 상기 추가발열량 추정기는 유전알고리즘 방식의 추정기로 구성되는 것을 특징으로 하는 차량용 냉각장치.
11. 제 4 항에 있어서, 상기 추가발열량 추정기는 칼만 필터 방식의 추정기로 구성되는 것을 특징으로 하는 차량용 냉각장치.
12. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각팬 제어수단은 무단속도제어방식으로 냉각팬 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 차량용 냉각장치.
13. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각팬 제어수단은 열평형을 고려한 방열량의 예견제어를 행하는 것을 특징으로 하는 차량용 냉각장치.
14. 제 12 항에 있어서, 상기 냉각팬의 구동은 유압구동장치에 의해 행하여지는 것을 특징으로 하는 차량용 냉각장치.
15. 제 12 항에 있어서, 상기 냉각팬의 구동은 전기모터에 의해 행하여지는 것을 특징으로 하는 차량용 냉각장치.
16. 제 1 항에 있어서, 상기 방열장치 상태변화 적응 수단은 냉각팬의 방열계수를 학습하는 것을 특징으로 하는 차량용 냉각장치.
17. 제 1 항에 있어서, 상기 발열장치 상태변화 적응 수단은 추가발열량 추정기를 학습하는 것을 특징으로 하는 차량용 냉각장치.
18. 제 1 항에 있어서, 상기 방열장치와 발열장치의 상태변화를 학습하고 적응제어하는 수단은 학습 결과를 저장하는 수단을 구비하며 상기 학습 결과 저장 수단은 전원이 차단되더라도 반영구적 저장이 가능하고 반복적으로 읽고 쓰기가 가능한 백업용 저장장치로 구성되는 것을 특징으로 하는 차량용 냉각장치.