KR100902082B1

KR100902082B1 - 고탄력 폴리머 스트립 롤을 이용한 전기 자동차의 에너지저장과 회생을 위한 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR100902082B1
Application number: KR1020070117125A
Authority: KR
Inventors: 남광희
Original assignee: 포항공과대학교 산학협력단
Priority date: 2007-11-16
Filing date: 2007-11-16
Publication date: 2009-06-09
Also published as: KR20090050598A

Abstract

본 발명은 고탄력 폴리머 스트립 롤을 이용한 전기 자동차의 에너지 저장과 회생을 위한 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 고탄력 폴리머 스트립(strip)을 롤(roll)에 장력을 주어 당겨진 상태에서 감아주어 에너지를 저장할 수 있고, 에너지를 다시 꺼내어 사용하고자 할 때에는 고탄력 폴리머 스트립이 롤로부터 풀리면서 발생하는 복원력을 이용하여 발전기를 회전시켜 전기를 생산할 수 있으며, 생산된 전기를 배터리에 저장하거나 자동차의 구동모터를 회전시킬 수 있도록 한 고탄력 폴리머 스트립 롤을 이용한 전기 자동차의 에너지 저장과 회생을 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 풀림 롤 및 감음 롤과; 상기 풀림 롤 및 감음 롤간에 감겨지는 것으로서, 탄성력이 우수한 고분자 합성섬유로 만들어진 고탄력 스트립과; 상기 풀림 롤의 축과 기어박스를 통해 연결된 발전기와; 상기 감음 롤의 축과 기어박스를 통해 연결된 모터와; 상기 발전기의 발전 동작을 제어하는 동시에 발전 전력을 수신하는 제1인버터와; 상기 모터의 동작을 제어하는 동시에 전원을 인가하는 제2인버터와; 상기 제1 및 제2인버터가 공통으로 접속하는 DC 링크; 로 구성된 것을 특징으로 하는 고탄력 폴리머 스트립 롤을 이용한 전기 자동차의 에너지 저장과 회생을 위한 시스템 및 방법을 제공한다.

고탄력 스트립, 전기 자동차, 에너지, 저장, 회생, 발전지, 모터, 구동모터, 인버터, DC 링크, 풀림 롤, 감음 롤, 배터리

Description

고탄력 폴리머 스트립 롤을 이용한 전기 자동차의 에너지 저장과 회생을 위한 시스템 및 방법{Electric Vehicle Utilizing High Elastic Polymer Strip Roll as an Energy Storage System and Method}

엔진 동력만을 이용하는 내연기관 자동차는 배기 가스에 의한 공해 및 유가 상승으로 인한 연료비 상승, 그리고 연비 향상의 한계 등의 단점이 있기 때문에 현 재 수소 연료전지 전기 자동차 및 배터리 전기 자동차 등과 같은 하이브리드형 친환경적 차세대 전기 자동차 개발이 추진되고 있다.

수소 연료전지 전기 자동차는 가격이 고가이고, 차량이 무거운 단점이 있으며, 배터리를 에너지 원으로 하는 배터리 전기 자동차는 오랜 충전 시간, 짧은 주행거리, 고가의 배터리 등이 단점으로 지적되고 있다.

참고로, 하이브리드 전기 자동차의 주행모드별 고전압배터리의 충방전이 이루어지는 동작을 간략하게 살펴보면 다음과 같다.

ⅰ) 아이들 상태에서는 차량이 정지된 상태에서 모터의 구동 발전으로 배터리에 충전이 이루어진다.

ⅱ) 가속모드에서는 모터 동력을 보조받으며 엔진동력이 변속기를 통하여 구동휠로 전달되는 주행모드로서, 이때에는 모터 동력에 필요한 배터리의 방전이 이루어지며, 이때 브레이크는 해제 상태이고, 배터리 충전상태는 방전을 위하여 충분한 상태로 유지된다.

ⅲ) 정속 주행 즉, HEV모드 상태에서는 클러치가 연결(close)되어 엔진 동력 및 모터 동력이 구동축에 전달되는 모드이며, 이때 엔진 동력을 구동휠에 대한 구동력으로 사용되고, 모터 동력은 아이들 발전을 하여 배터리의 충전이 이루어진다.

이때, 브레이크는 해제 상태이고, 배터리 충전상태는 부족 또는 충분한 상태가 된다.

ⅳ) 감속 주행 즉, 회생제동모드에서는 엔진에 대한 연료가 차단되고, 모터는 역발전을 하여 배터리의 충전이 이루어지게 된다.

이와 같이, 배터리를 사용하는 하이브리드 전기 자동차는 주행모드별도 배터리의 충방전 제어가 이루어지는 바, 충전 시간이 오래 걸리고, 방전에 따른 짧은 주행거리를 가지며, 배터리의 비용이 고가인 단점이 있다.

좀 더 상세하게는, 전기 자동차용 배터리로서, 니켈-메탈-수소 전지와 리듐 배터리 모두가 부피당 저장에너지가 700Wh/dm³ 정도이나, 비중 차이 때문에 리듐 배터리가 훨씬 가벼운 것으로 알려져 있지만, 자동차에서 필요한 에너지 양 30kWh/100miles과 대응되는 리듐 배터리의 부피는 0.42㎥ 달하기 때문에, 결국 배터리가 차지하는 공간과 무게가 작지 않으며, 비용 또한 매우 높은 단점이 있고, 특히 배터리 전기 자동차의 실용화에 있어 치명적 약점은 완전 충전을 이루는데 10시간 정도가 필요하다는 사실에 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 연구된 결과물로서, 에너지 저장원으로 스판텍스와 같은 고탄력 폴리머 스트립(strip)을 롤(roll)에 장력을 주어 당겨진 상태로 감아주고, 이 롤이 풀릴 때 발생되는 폴리머 스트립의 탄성 복원력을 이용하여 발전기를 돌려 에너지를 회생하며, 이 회생 에너지를 배터리에 충전하거나 모터를 구동시키는데 사용하여 추력을 얻을 수 있도록 함으로써, 폴리머 스트립의 무게가 가벼워 에너지 밀도가 높게 설계될 수 있고, 에너지 저장(charging)에 소요 되는 시간을 크게 단축시킬 수 있으며, 단위 에너지당 가격이 수소 전지나 고전압 배터리와 같은 다른 대안에 비하여 매우 저렴한 고탄력 폴리머 스트립 롤을 이용한 전기 자동차의 에너지 저장과 회생을 위한 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 풀림 롤 및 감음 롤과; 상기 풀림 롤 및 감음 롤간에 감겨지는 것으로서, 탄성력이 우수한 고분자 합성섬유로 만들어진 고탄력 스트립과; 상기 풀림 롤의 축과 기어박스를 통해 연결된 발전기와; 상기 감음 롤의 축과 기어박스를 통해 연결된 모터와; 상기 발전기의 발전 동작을 제어하는 동시에 발전 전력을 수신하는 제1인버터와; 상기 모터의 동작을 제어하는 동시에 전원을 인가하는 제2인버터와; 상기 제1 및 제2인버터가 공통으로 접속하는 DC 링크; 로 구성된 것을 특징으로 하는 고탄력 폴리머 스트립 롤을 이용한 전기 자동차의 에너지 저장과 회생을 위한 시스템을 제공한다.

바람직한 구현예로서, 상기 고탄력 스트립은 100km 주행에 필요한 에너지(30kWh)를 저장할 수 있도록 3km 이상의 길이를 가지는 스판텍스인 것을 특징으로 한다.

바람직한 다른 구현예로서, 상기 풀림 롤 및 감음 롤의 사이 구간에는 고탄력 스트립의 풀림 또는 감음시 이동을 안내하는 복수의 롤링 핀이 배치되는 것을 특징으로 한다.

바람직한 또 다른 구현예로서, 상기 복수의 롤링 핀중 하나에는 상기 감음 롤과 축설된 모터 토크를 피드백 제어하는데 이용할 수 있는 상기 고탄력 스트립의 장력을 측정하기 위한 힘 센서가 장착된 것을 특징으로 한다.

바람직한 또 다른 구현예로서, 상기 풀림 롤 및 감음 롤의 사이 구간에는 고탄력 스트립의 감김 또는 풀림시의 진행 속도를 측정할 수 있도록 인코더와, 이 인코더의 축에 부착되어 고탄력 스트립에 밀착되는 롤러로 구성된 스트립 속도계가 배치되는 것을 특징으로 한다.

바람직한 또 다른 구현예로서, 상기 DC 링크에는 배터리가 DC-DC 컨버터를 통하여 공통 접속되고, 차량의 주행을 위한 구동모터도 제3인버터를 통하여 공통 접속되는 것을 특징으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 고탄력 스트립에 장력을 가한 상태에서 풀림 롤에 감아주어 에너지를 저장하는 단계와; 상기 고탄력 스트립이 풀림 롤로부터 풀림과 함께 감음 롤로 감길 때, 고탄력 스트립의 장력이 복원되면서 풀림 롤에 회전력이 가해지는 단계와; 상기 풀림 롤에 가해진 회전력을 풀림 롤과 축설된 발전기에 인가하여 전기 에너지를 회생시키는 단계; 회생된 전기 에너지를 차량 주행에 사용하거나 배터리에 충전하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 고탄력 폴리머 스트립 롤을 이용한 전기 자동차의 에너지 저장과 회생을 위한 방법을 제공한다.

바람직한 구현예로서, 상기 에너지 저장 및 회생시, 상기 감음 롤과 축설된 모터에 의한 고탄력 스트립의 일정 장력 제어 단계와, 상기 풀림 롤과 축설된 발전 기에 의한 고탄력 스트립의 속도 제어 단계가 진행되어, 상기 고탄력 스트립의 장력이 주어진 한계치를 벗어나지 않으면서 고탄력 스트립 이동 속도에 비례하여 상기 풀림 롤과 축설된 발전기의 전력량이 생산되도록 한 것을 특징으로 한다.

바람직한 다른 구현예로서, 상기 외부 전원이 발전기로 공급되는 단계와; 발전기와 축설된 풀림 롤에 고탄력 스트립이 다시 감기게 되어 에너지로서 저장되는 단계와; 풀림 롤과 축설된 발전기의 발전이 이루어져 DC 링크 및 DC-DC 컨버터를 통한 배터리의 충전이 이루어지는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직한 또 다른 구현예로서, 상기 풀림 롤이 풀릴 때 발전기에서 발전된 전력이 DC 링크 및 제3인버터를 통하여 차량 주행용 구동모터에 공급되는 단계와; 상기 구동모터의 구동으로 차량 주행이 이루어지는 단계와; 상기 구동모터용 제3인버터에 공급되는 파워에 여분이 있을 경우, 그 여분의 파워가 DC-DC 컨버터를 통해서 배터리에 충전되는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직한 또 다른 구현예로서, 상기 구동모터에서 소비하는 파워가 첨두치에 달한 경우, 상기 배터리의 파워가 DC-DC 컨버터를 통해 상기 구동모터용 제3인버터로 방전 공급되어, 구동모터에 대한 파워를 보조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직한 또 다른 구현예로서, 자동차가 정지된 상태에서 상기 풀림 롤이 풀릴 때 발전기에서 발전된 전력이 DC 링크 및 DC-DC 컨버터를 통해서 배터리에 충전되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다.

기존의 하이브리드 전기 자동차용 고전압배터리는 고가이고, 한 번 충전 후 주행거리가 충분치 않으며, 그 충전시간이 10시간 이상 소요되기 때문에 배터리 전기 자동차의 실용성은 아직 미흡한 점이 있고, 또한 수소 전지 자동차는 고전압배터리 자동차보다 훨씬 고가이어서 실용화 단계에 들어가려면 아직 많은 시간이 필요한 단점이 있는 반면, 본 발명은 자동차용 에너지 저장 시스템으로 한 쌍의 롤과 스판텍스와 같은 고탄성력을 갖는 합성섬유 등을 이용하여 가볍고 저가인 장점이 있다.

또한, 본 발명의 고탄력 스트립은 다른 금속 물질에 비하여 가볍기 때문에 에너지(중량) 밀도가 기존의 리듐 배터리와 근접한 수준을 유지하면서도 에너지 저장에 걸리는 시간을 짧게 구현할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 고탄력 스트립에 대한 장력 제어를 통하여 스트립이 탄성 한계를 넘지 않도록 하면 스트립을 오랫동안 사용할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 적용되는 여러개의 인버터를 DC 링크 하나에 접속함으로써 에너지 변환에 소비되는 파워 손실을 절감할 수 있는 장점이 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명은 얇은 고탄력 합성 섬유를 긴 스트립(strip)(3km 정도)을 만들고, 이것에 장력을 주어 롤(roll)에 감고, 고탄력 스트립이 장력에 의해서 복원되며 풀릴 때 발생하는 롤의 회전력으로 발전기를 구동시켜 에너지를 회생 내지 저장하도록 한 점에 주안점이 있다.

특히, 본 발명의 다른 주안점으로서 감음 롤(take up roll)에 구비되어 있는 모터로 고탄력 스트립의 장력을 일정하게 제어하여 고탄력 스트립이 탄성 한계를 넘지 않게 하며, 풀림 롤 (pay off roll)에 구비되어 있는 발전기로는 고탄력 스트립의 이동 속도를 일정하게 제어한 점, 또한 에너지를 저장할 때는 발전기와 모터는 그 역할을 바꾸어 줌으로써, 발전기에 전력을 공급하여 풀림 롤을 역회전시키어 스트립을 감고, 감음 롤의 모터 역시 역회전시키면서 스트립을 풀어주되 감음 롤의 모터는 일정 부하를 가하여 스트립이 장력을 갖고 풀림 롤에 감기게 하는 점에 있다.

이러한 본 발명의 특징 및 구성들을 첨부도면을 참조로 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 고탄력 고분자(합성 섬유) 스트립을 이용한 에너지 저장 및 회생 시스템과, 이와 연결된 자동차 구동 모터 시스템과, 일시적 에너지 저장 장치인 배터리로 구성된 전기 자동차 구성도를 예시한 것이다.

본 발명에 따른 에너지 저장 및 회생 시스템은 두 개의 롤(3,6), 이 두 개의 롤(3,6)간에 감겨진 고탄력 스트립(4)과, 고탄력 스트립(4)이 두 개의 롤(3,6)간을 이동할 때 그 이동을 안내하는 복수의 롤링 핀(rolling pin)(5a,5b,5c), 발전기(1)와 모터(8) 및 복수의 인버터(11,12) 등으로 구성된다.

도면부호 11 및 12는 각각 발전기(1)와 모터(8)를 제어하는 제1 및 제2인버터를 지시한 것인데, 두 인버터(11,12)는 동일 DC 링크(16)에 접속된다.

상기 두 개의 롤은 대칭적이어서 한 쪽의 롤(3)이 고탄력 스트립(4)을 감을 때는 다른 한 쪽의 롤(6)은 풀리고, 반대로 한 쪽의 롤(3)이 고탄력 스트립(4)을 풀어줄 때는 다른 한 쪽의 롤(6)은 감는 동작을 하게 된다.

본 발명의 이해를 돕기 위하여, 한 쪽의 롤(3)에 스트립이 당겨진 상태에서 감겨져 있다고 가정하고 한 쪽의 롤(3)을 풀림 롤(3)이라 명하고, 다른 한 쪽의 롤(6)을 감음 롤(6)이라 명명한다.

상기 풀림 롤(3)의 축 하부에 기어박스(2)와 발전기(1)가 연결되는 바, 상기 풀림 롤(3)에서 풀리게 되는 고탄력 스트립(4)의 복원력에 의해 풀림 롤(3)이 회전하게 되며, 이때의 회전력에 반하여 상기 발전기(1)에 브레이킹 토크 (braking torque)를 가하면 발전기에서 발전이 되어 전력이 제1인버터(11)를 경유하여 제1인버터(11)와 연결된 DC 링크(16)쪽으로 흐르게 된다.

상기 감음 롤(6)의 축 하부에는 기어박스(7)와 모터(8)가 연결되는 바, 이 모터(8)를 일정 토크 제어 모드(constant torque control mode)로 제어하면 상기 풀림 롤(3)에서 풀려 나오는 고탄력 스트립(4)을 감음 롤(6)에서 감을 때 고탄력 스트립(4)에 일정한 장력을 가할 수 있다.

이와 반대로, 상기 풀림 롤(3)에 에너지를 저장하고자 할 때에는 풀림 롤(3) 과 축설된 발전기(1)가 모터 역할을 하여 스트립 속도 일정 제어 모드(constant strip speed control mode)로 고탄력 스트립(4)을 감는다.

이때, 상기 감음 롤(6)은 고탄력 스트립(4)을 풀면서 일정 토크 제어 모드(constant torque control mode)로 제어되어, 고탄력 스트립(4)에 일정 장력을 가하게 되며, 이에 상기 풀림 롤(3)에 고탄력 스트립(4)이 일정 장력을 가지면서 감기게 된다.

한편, 상기 복수의 롤링 핀(5a,5b,5c)은 고탄력 스트립(4)이 풀림 또는 감김롤쪽으로 이동할 때, 그 경로 안내 및 이탈 방지를 위한 구성으로서, 이 복수의 롤링 핀(5a,5b,5c)중 가운데의 롤링 핀(5c)에는 힘 센서(force sensor)(18)를 부착하여, 롤링 핀(5c)에 걸리는 힘을 측정하여 고탄력 스트립(4)에 걸리는 장력을 측정하게 되며, 이때 측정된 고탄력 스트립 장력은 상기 감음 롤(6)과 축설된 모터(8)가 토크를 피드백 제어(feedback control)하는데 이용된다.

즉, 상기 힘 센서(18)에 의한 고탄력 스트립(4)의 장력 측정 신호가 제어부(제2인버터)에 전송되면, 제어부(제2인버터)는 상기 모터(8)의 토크를 피드백 제어하여 고탄력 스트립(4)의 장력이 조절될 수 있다.

또한, 상기 고탄력 스트립(4)의 감김 또는 풀림시의 속도를 측정하는 속도 센서로서, 인코더 축에 롤러를 구비함과 함께 이 롤러를 스트립에 밀착시켜 고탄력 스트립(4)이 움직일 때 고탄력 스트립(4)의 진행 속도를 측정하는 스트립 속도계(17)가 구비되고, 이 스트립 속도 신호는 상기 풀림 롤(3)과 축설된 발전기(1)가 스트립 속도를 피드백 제어(feedback control)하는데 이용된다.

즉, 상기 스트립 속도계(17)에서 스트립 진행 속도를 측정하여, 그 신호를 제어부(제1인버터)에 전송하면, 제어부(제1인버터)에서 상기 발전기(1)의 동작을 피드백 제어하여 고탄력 스트립(4)의 진행 속도를 조절할 수 있다.

상기와 같은 고탄력 고분자(합성 섬유) 스트립을 이용한 에너지 저장 및 회생 시스템에 자동차 구동 모터 시스템이 연결되는데, 첨부한 도 1에서 보는 바와 같이 차량 바퀴(19)를 구동하는 구동모터(14)와, 이 구동모터(14)를 제어하는 인버터(13)로 구성되어 있으며, 특히 상기 구동모터(14)를 위한 제3인버터(13)가 상기한 저장 시스템의 발전기(1) 및 모터(8)의 제1 및 제2인버터(11,12)가 접속된 DC 링크(16)에 공통으로 접속된다.

이와 같은 백-투-백(back-to-back) 직결 전력 토폴로지를 사용하면, 고탄력 스트립의 회생 에너지를 곧바로 자동차의 추진력으로 사용할 수 있으므로 전력변환(power conversion)에 따르는 에너지 손실을 최소화 할 수 있다.

한편, 첨부한 도 1에 도시된 바와 같이 배터리(9)와 양방향 DC-DC 컨버터(Bi-directional DC DC Converter)(10)가 상기 DC 링크(16)에 공통 접속되어, 자동차 파워 소요가 첨두점(peak point)에 달할 때 파워를 보조(power assist)하거나, 자동차의 회생 제동(regeneration braking)시 구동모터(14)의 역발전에 의한 에너지를 받아 저장하는 역할을 하게 된다.

보다 상세하게는, 첨부한 도 3의 강전 계통 회로도에서 보는 바와 같이, 세 개의 삼상 인버터(11,12,13)와 한 개의 DC-DC 컨버터(10)가 동일한 DC 링크(16)에 연결되어 있어서, 상기 발전기(1), 모터(8), 구동모터(14), 배터리(9)간의 에너지 흐름을 유연하게 해주고 효율을 극대화시킬 수 있다.

여기서, 본 발명에 따른 고탄력 스트립을 이용한 에너지 회생 및 저장시 파워가 출력되는 것에 대하여 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 2a와 2b는 각각 에너지 회생과 저장시 고탄력 스트립의 속도 및 장력의 방향을 표시한 개략도이다.

도 2a에 도시된 바와 같이, 에너지 회생시에는 상기 고탄력 스트립(4)의 속도(v)와 장력(F)의 방향이 일치하여 양(+)의 파워(P=Fv)가 나오게 되고, 이는 에너지가 회생되는 것을 의미한다.

반대로, 도 2b에 도시된 바와 같이 에너지 저장시에는 상기 고탄력 스트립(4)의 속도(v) 와 장력(F)의 방향이 서로 반대가 되어 음(-)의 파워(P=-Fv)가 나오게 되며, 이는 에너지가 저장되는 것을 의미한다.

여기서, 파워 흐름 관점에서 도식화한 동작 흐름도를 나타내는 첨부한 도 4를 참조로, 본 발명에 따른 고탄력 고분자(합성 섬유) 스트립을 이용한 에너지 저장 및 회생 시스템과, 이와 연결된 자동차 구동 모터 시스템과, 일시적 에너지 저장 장치인 배터리를 통해 이루어지는 네 종류의 작동 모드를 설명하면 다음과 같다.

제1작동모드

도 4(a)에서 보는 바와 같이, 기본적인 자동차 주행 모드에서는 상기 풀림 롤(3)과 축설된 발전기(1)용 인버터(11)에서 회생된 파워가 구동모터(14)용 제3인버터(13)에 공급된다.

보다 상세하게는, 상기 풀림 롤(3)에서 풀리게 되는 고탄력 스트립(4)의 복원력에 의해 풀림 롤(3)이 회전하는 동시에 이때의 회전력에 반하여 상기 발전기(1)에 브레이킹 토크(braking torque)를 가하면서 발전된 전력이 상기 제1인버터(11)로 공급되어 회생되어진 파워가 상기 DC 링크(16)를 통하여 차량 주행을 위한 구동모터(14)용 제3인버터(13)에 공급됨과 함께 구동모터(14)의 구동에 의한 차량 주행이 이루어지며, 이때 구동모터(14)용 제3인버터(13)에 공급되는 파워에 여분이 있을 경우, 그 여분의 파워가 DC-DC 컨버터(10)를 통해서 배터리(9)에 충전된다.

제2작동모드

도 4(b)에 도시된 바와 같이, 상기 구동모터(14)에서 소비하는 파워가 첨두치에 달한 경우, 구동모터(14)에 대한 파워 조력 모드(power assist mode)로서 상기 배터리(9)의 파워도 DC-DC 컨버터(10)를 통해 방전되어 상기 구동모터(14)용 인버터(13)에 공급됨으로써, 구동모터(14)에 대한 파워를 보조하게 된다.

제3작동모드

도 4(c)에 도시된 바와 같이, 배터리(9)가 어느 한계 이하로 방전이 되어 충전이 필요할 때, 자동차가 정지해 있는 상황에서 상기 풀림 롤(3)을 작동시켜 배터리(9)를 충전하게 된다.

즉, 상기 풀림 롤(3)에서 풀리게 되는 고탄력 스트립(4)의 복원력에 의해 풀림 롤(3)이 회전하는 동시에 이때의 회전력에 반하여 상기 발전기(1)에 브레이킹 토크(braking torque)를 가하면서 발전된 전력이 상기 제1인버터(11)로 공급되어 회생되어진 파워가 상기 DC 링크(16) 및 DC-DC 컨버터(10)를 통해서 배터리(9)에 충전된다.

물론, 상기 풀림 롤(3)로부터 고탄력 스트립(4)이 감음 롤(6)쪽에 감겨진 경우, 풀림 롤(3)에 재차 에너지를 저장하고자 할 때에는 상기와 같이 풀림 롤(3)과 축설된 발전기(1)가 모터 역할을 하여 스트립 속도 일정 제어 모드(constant strip speed control mode)로 고탄력 스트립(4)을 감게 되고, 이후 풀림 롤(3)은 고탄력 스트립(4)이 감음 롤(6)쪽으로 복원되는 동작에 의거 회전을 하여, 축설된 발전기(1)의 발전을 도모하게 된다.

제4작동모드

도 4(d)에 도시된 바와 같이, 배터리(9)가 완전 방전이 되어 발전기(1)를 작동시키지 못할 경우, 외부 전원을 이용하여 발전기(1)를 구동시킴과 함께 풀림 롤(3)에 고탄력 스트립(4)을 감아주어 에너지를 저장하게 되고, 이와 함께 상기와 같이 고탄력 스트립(4)이 감음 롤(6)쪽으로 복원되는 동작에 의거 풀림 롤(3)이 회전을 하여, 풀림 롤(3)과 축설된 발전기(1)의 발전이 이루어져 결국 상기 DC 링크(16) 및 DC-DC 컨버터(10)를 통한 배터리(9)의 충전이 이루어진다.

이와 같이, 전기 자동차의 주행 또는 정지시 선택적으로 이루어지는 네가지의 작동모드에 의하여, 에너지 저장 및 회생이 이루어져 차량의 주행에 이용되거나 배터리에 충전되는 등의 파워 흐름이 이루어지게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 고탄력 폴리머 스트립 롤을 이용한 에너지 저장 및 회생 시스템 및 이를 탑재한 전기 자동차의 구성도,

도 2은 본 발명에 따른 스트립 롤 에너지 저장 및 회생 시스템에서 에너지를 회생시킬 때와 에너지를 저장할 때, 스트립의 이동 속도 방향과 장력의 방향을 나타내는 도면으로서, 도 2a는 에너지 회생을, 도 2b는 에너지 저장 상태를 설명하는 작동도,

도 3은 본 발명에 따른 고탄력 폴리머 스트립 롤을 이용한 에너지 저장 및 회생 시스템 및 이를 탑재한 전기 자동차의 전기 파워 라인 구성도,

도 4는 본 발명에 따른 고탄력 폴리머 스트립 롤을 이용한 에너지 저장 및 회생 시스템에 대한 동작 유형별 파워 흐름도로서, 도 4a는 주행 및 배터리 충전상태를, 도 4b는 첨두 파워링(peak powering)시 배터리에 의한 파워 보조 상태를, 도 4c는 차량의 정지 상태에서의 배터리 충전 상태를, 도 4d는 외부 전원에 의한 에너지 저장 상태를 설명하는 동작 흐름도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 발전기 2 : 기어박스

3 : 풀림 롤 4 : 고탄력 스트립

5a,5b,5c : 롤링 핀 6 : 감음 롤

7 : 기어박스 8 : 모터

9 : 배터리 10 : DC-DC 컨버터

11 : 제1인버터 12 : 제2인버터

13 : 제3인버터 14 : 구동모터

16 : DC 링크 17 : 스트립 속도계

18 : 힘 센서 19 : 차량 바퀴

Claims

풀림 롤 및 감음 롤과;

상기 풀림 롤 및 감음 롤간에 감겨지는 것으로서, 탄성력이 우수한 고분자 합성섬유로 만들어진 고탄력 스트립과;

상기 풀림 롤의 축과 기어박스를 통해 연결된 발전기와;

상기 감음 롤의 축과 기어박스를 통해 연결된 모터와;

상기 발전기의 발전 동작을 제어하는 동시에 발전 전력을 수신하는 제1인버터와;

상기 모터의 동작을 제어하는 동시에 전원을 인가하는 제2인버터와;

상기 제1 및 제2인버터가 공통으로 접속하는 DC 링크;

로 구성된 것을 특징으로 하는 고탄력 폴리머 스트립 롤을 이용한 전기 자동차의 에너지 저장과 회생을 위한 시스템.
청구항 1에 있어서,

상기 고탄력 스트립은 100km 주행에 필요한 에너지(30kWh)를 저장할 수 있도록 3km 이상의 길이를 가지는 스판텍스인 것을 특징으로 하는 고탄력 폴리머 스트립 롤을 이용한 전기 자동차의 에너지 저장과 회생을 위한 시스템.
청구항 1에 있어서,

상기 풀림 롤 및 감음 롤의 사이 구간에는 고탄력 스트립의 풀림 또는 감음시 이동을 안내하는 복수의 롤링 핀이 배치되는 것을 특징으로 하는 고탄력 폴리머 스트립 롤을 이용한 전기 자동차의 에너지 저장과 회생을 위한 시스템.
청구항 3에 있어서,

상기 복수의 롤링 핀중 하나에는 상기 감음 롤과 축설된 모터 토크를 피드백 제어하는데 이용할 수 있는 상기 고탄력 스트립의 장력을 측정하기 위한 힘 센서가 장착된 것을 특징으로 하는 고탄력 폴리머 스트립 롤을 이용한 전기 자동차의 에너지 저장과 회생을 위한 시스템.
청구항 1에 있어서,

상기 풀림 롤 및 감음 롤의 사이 구간에는 고탄력 스트립의 감김 또는 풀림시의 진행 속도를 측정할 수 있도록 인코더와, 이 인코더의 축에 부착되어 고탄력 스트립에 밀착되는 롤러로 구성된 스트립 속도계가 배치되는 것을 특징으로 하는 고탄력 폴리머 스트립 롤을 이용한 전기 자동차의 에너지 저장과 회생을 위한 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 DC 링크에는 배터리가 DC-DC 컨버터를 통하여 공통 접속되고, 차량의 주행을 위한 구동모터도 제3인버터를 통하여 공통 접속되는 것을 특징으로 하는 고탄력 폴리머 스트립 롤을 이용한 전기 자동차의 에너지 저장과 회생을 위한 시스템.
고탄력 스트립에 장력을 가한 상태에서 풀림 롤에 감아주어 에너지를 저장하는 단계와;

상기 고탄력 스트립이 풀림 롤로부터 풀림과 함께 감음 롤로 감길 때, 고탄력 스트립의 장력이 복원되면서 풀림 롤에 회전력이 가해지는 단계와;

상기 풀림 롤에 가해진 회전력을 풀림 롤과 축설된 발전기에 인가하여 전기 에너지를 회생시키는 단계;

회생된 전기 에너지를 차량 주행에 사용하거나 배터리에 충전하는 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 고탄력 폴리머 스트립 롤을 이용한 전기 자동차의 에너지 저장과 회생을 위한 방법.
청구항 7에 있어서, 상기 에너지 저장 및 회생시,

상기 감음 롤과 축설된 모터에 의한 고탄력 스트립의 일정 장력 제어 단계와, 상기 풀림 롤과 축설된 발전기에 의한 고탄력 스트립의 속도 제어 단계가 진행되어,

상기 고탄력 스트립의 장력이 주어진 한계치를 벗어나지 않으면서 고탄력 스트립 이동 속도에 비례하여 상기 풀림 롤과 축설된 발전기의 전력량이 생산되도록 한 것을 특징으로 하는 고탄력 폴리머 스트립 롤을 이용한 전기 자동차의 에너지 저장과 회생을 위한 방법.
청구항 7에 있어서,

상기 발전기에 외부 전원이 공급되는 단계와;

상기 발전기와 축설된 풀림 롤에 고탄력 스트립이 다시 감기게 되어 에너지로서 저장되는 단계와;

상기 풀림 롤과 축설된 발전기의 발전이 이루어져 DC 링크 및 DC-DC 컨버터를 통한 배터리의 충전이 이루어지는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고탄력 폴리머 스트립 롤을 이용한 전기 자동차의 에너지 저장과 회생을 위한 방법.
청구항 7에 있어서,

상기 풀림 롤이 풀릴 때 발전기에서 발전된 전력이 DC 링크 및 제3인버터를 통하여 차량 주행용 구동모터에 공급되는 단계와;

상기 구동모터의 구동으로 차량 주행이 이루어지는 단계와;

상기 구동모터용 제3인버터에 공급되는 파워에 여분이 있을 경우, 그 여분의 파워가 DC-DC 컨버터를 통해서 배터리에 충전되는 단계;

를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고탄력 폴리머 스트립 롤을 이용한 전기 자동차의 에너지 저장과 회생을 위한 방법.
청구항 10에 있어서,

상기 구동모터에서 소비하는 파워가 첨두치에 달한 경우, 상기 배터리의 파워가 DC-DC 컨버터를 통해 상기 구동모터용 제3인버터로 방전 공급되어, 구동모터에 대한 파워를 보조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고탄력 폴리머 스트립 롤을 이용한 전기 자동차의 에너지 저장과 회생을 위한 방법.
청구항 7에 있어서,

자동차가 정지된 상태에서 상기 풀림 롤이 풀릴 때 발전기에서 발전된 전력이 DC 링크 및 DC-DC 컨버터를 통해서 배터리에 충전되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고탄력 폴리머 스트립 롤을 이용한 전기 자동차의 에너지 저장과 회생을 위한 방법.