KR101107721B1 - 차량용 자가발전시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량용 자가발전시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 차륜용 휠에 차량이 주행함에 따라 기전력을 생성하는 압전소자를 설치하여 차량 하중에 의해 소모되는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하여 재활용하고자 하는 자가발전시스템에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명은 차량용 휠에 설치되는 하나 이상의 압전체; 차량 하중에 의한 압력 및 차량 주행에 의한 압력작용점의 변동이 상기 휠에 발생됨에 따라 상기 압전체에서 생성한 전기적 에너지를 전달받아 변환하는 AC/DC컨버터; 상기 AC/DC컨버터에서 전달받은 전기적 에너지를 저장하는 배터리;를 포함하여 구성된다.

휠, 타이어, 발전장치, 압전체, TPMS, 센서

Description

차량용 자가발전시스템{SELF GENERATION SYSTEM FOR VEHICLE}

본 발명은 차량용 자가발전시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 차량 하중에 의해 소모되는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하여 재활용하고자 하는 자가발전시스템에 관한 것이다.

유한한 에너지인 화석 에너지 자원이 고갈되어 가면서, 대체 에너지에 대한 연구와 함께 사용되고 있는 기기들의 에너지 효율을 높이는 연구가 다양하게 연구되고 있다.

특히, 이와 같은 시대적 흐름에 발맞추어 자동차 산업 분야에서도 내연기관 자동차에서 연료 효율을 상승시킨 하이브리드 자동차와 대체 에너지로 수소를 사용하는 연료전지 자동차나 플러그 인 전기자동차 등이 개발되어 상용화를 추진하고 있다.

또한, 대체 에너지원의 확보 및 탄소배출량 규제 감소를 위한 에너지원의 확보 방안으로서, 차량에서 잉여로 버려지는 에너지를 재활용하는 방안이 요구되고 있으며, 특히 소모성의 기계적 에너지를 사용하는 동시에 전기적 에너지로 변환하여 재활용 가능하게 하는 자가발전 방식의 전력발생장치가 요구되고 있다.

이러한 전력발생장치의 구현시 구조의 단순화와 소형화를 위해 압전물질을 이용한 발전 방식이 많이 이용되고 있다.

압전물질이란, 가해지는 기계적 에너지와 전기적 에너지를 상호간에 변환시킬 수 있는 특성을 지닌 재료라고 할 수 있다.

예를 들어 PZT, PVDF 등의 압전물질은 압력이 가해졌을 때 전압을 발생하고, 전기장이 가해졌을 때 기계적인 변형이 일어나는 소자로서, 기계적인 에너지를 전기에너지로, 전기에너지를 기계적인 에너지로 상호 변환이 가능하며 변환효율이 매우 높은 재료로 알려져 있다.

에너지 변환에 따라 압전물질은 센서와 액추에이터로 그 기능이 나누어지며, 압력센서, 하중센서, 가속도센서 및 정밀 이송기기용 액추에이터 등으로 다양하게 응용 가능하다.

한편, 일반적인 차량의 경우 차체의 하중이 차륜에 의해 지지되므로 타이어와 휠에 매우 큰 압력이 걸리게 되고, 이에 따라 자동차 사고의 원인 중 타이어 파손에 의한 사고가 큰 비중을 차지하고 있다.

이에 일부 국가들은 TPMS(Tire Pressure Monitoring System)의 장착을 법제화하고 있고, 국내에서는 국가성장 동력원으로 TPMS와 동일 역할을 하는 인텔리전트 타이어(Intelegent Tire)를 개발 중에 있다.

TPMS는 차량의 안전 운행을 위하여 타이어의 공기압을 모니터링하는 전자장 치로서, 타이어 내부에 센서를 장착하여 타이어 내부의 온도 및 압력을 감지하고, 운전자에게 안전 운행 및 경제적 운행을 위한 정보를 제공한다.

그러나 TPMS는 센서의 작동과 신호 송신을 위한 전력이 배터리에 의존하고 있어, 주기적인 배터리 교체가 필요한 번거로움이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 압전소자를 차량용 휠에 설치하여 주행시 휠의 회전에 따라 발생하는 변동 하중과 발생 변위에 의하여 상기 압전소자가 생성한 전기에너지를 저장하는 차량용 자가발전시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 압전소자가 생성한 전기에너지로부터 검출한 신호를 이용하여 휠 스피드 센서의 역할을 대체할 뿐 아니라 그 외에 차량운동특성정보를 수집할 수 있는 차량용 자가발전시스템을 제공하는데도 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 차량용 휠에 설치되는 하나 이상의 압전체; 차량 하중에 의한 압력 및 차량 주행에 의한 압력작용점의 변동이 상기 휠에 발생됨에 따라 상기 압전체에서 생성되는 전기적 에너지를 전달받아 변환하는 AC/DC컨버터; 상기 AC/DC컨버터에서 전달받은 전기적 에너지를 저장하는 배터리;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 차량용 자가발전시스템을 제공한다.

본 발명에 따른 차량용 자가발전시스템은 차량 하중에 의해 발생되는 소모성의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하여 재활용함으로써 새로운 에너지원의 확보가 가능하고, 이에 따라 차량의 에너지 효율을 증가시킬 수 있다.

그리고, 전기자동차나 하이브리드 자동차와 같이 전기적 에너지를 구동원으로 이용하는 경우 배터리 용량의 축소가 가능하여 레이아웃이 용이해지는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명은 압전소자가 생성한 전기에너지로부터 전기신호를 검출하여 차량용 휠의 회전속도를 감지하는 등 휠 스피드 센서의 역할을 대체할 수 있고, 이 외에도 차량운동특성정보를 수집하여 차체제어시스템에 전달하는 것을 가능하게 한다.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백히 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.

본 발명의 실시예로는 다수 개가 존재할 수 있으며, 설명에 있어서 종래의 기술과 동일한 부분에 대하여 중복되는 설명은 생략되는 것도 있다.

본 발명은 차량용 휠에 압전소자를 장착하여 주행시 휠의 회전에 의해 상기 압전소자가 전기적 에너지를 생성하도록 하여 새로운 에너지원을 확보하고, 상기 전기적 에너지로부터 전기신호를 검출하여 휠 스피드 센서의 역할을 대체할 뿐 아니라 차량의 운동특성에 대한 실 정보를 수집할 수 있도록 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설 명한다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 차량용 자가발전시스템의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 자가발전시스템의 일부를 도시한 분해 사시도이며, 도 3은 본 발명에 따른 자가발전시스템의 일부를 도시한 결합 사시도이고, 도 4는 도 1의 A-A를 취하여 도시한 단면도이다.

본 발명은 주행시 차량 하중에 의해 소모되는 기계적 에너지를 재활용하기 위하여, 차량용 휠 림(Wheel rim)(12)과 휠 스포크(Wheel spoke)(15) 사이에 압전소자가 구비되고, 상기 압전소자에서 생성된 전기적 에너지를 직류로 변환하여 저장하기 위한 컨버터(20) 및 배터리(21)가 구비된다.

상기 압전소자는 하나 또는 그 이상으로 설치되고, 본 실시예에서는 휠 림(12)의 내측에서 원주방향을 따라 다수의 압전소자가 배치되어 압전체(13)를 구성한다.

그리고, 주행시 상기 압전체(13)를 보호하고 충격을 완화하기 위하여 압전체(13)의 양측으로 완충체(14)가 구비되어 상기 완충체(14) 사이에 압전체(13)가 개재된다.

상기 압전체(13)와 완충체(14)는 휠 림(12)과 휠 스포크(15)의 사이에 개재되어 휠 림(12)의 내주면과 휠 스포크(15)의 외주면에 접하게 되고, 상기 압전체(13)는 도 2와 같이 일정 간격을 두고 다수열로 구비될 수 있다.

그리고, 본 발명은 압전체(13)가 차륜의 회전시 휠로부터 이탈되는 것을 방지하기 위하여 스터드볼트(16)를 구비한다.

상기 스터드볼트(16)는 휠 스포크(15)와 완충체(14) 및 휠 림(12)을 관통하도록 체결되어 상기 압전체(13)를 구속한다.

통상, 압전소자(혹은 압전물질)는 일정한 방향에서 압력차를 주어 기계적인 외력을 가하면 내부에 응력이 발생하고 외력에 비례하여 양전하와 음전하가 나타나면서 기전력이 발생하게 된다.

본 발명에서 압전소자는 압전효과에 의하여 차량의 운행시 차량 하중에 의한 압력 발생과 차량 주행에 의한 압력작용점의 변동에 따라 발생하는 휠에 대한 변동 하중 및 발생 변위에 의하여 전기적 에너지를 발생시킨다.

즉, 차량의 주행에 따라 휠의 소정 지점을 기준으로 압력작용점이 변동되고, 따라서 휠의 소정 지점에 작용하는 압력이 변동되어 변동 압력이 발생함은 물론, 하중에 의한 스트레인(strain)이 발생하여 휠의 압력 및 스트레인 발생면에 배치된 압전체에 압력이 가해지면서 전류가 발생된다.

다시 말하면, 휠의 회전에 따라 휠의 소정 지점에서 발생하는 변동 하중으로 인해 압전체(13)가 전류를 생성하게 된다.

상기 압전체(13)에서 생성된 전류는 교류 전류로서, 제1전선(17)과 제2전선(19)을 통해 AC/DC컨버터(20)로 전달되어 직류 전류로 변환된다.

이때, 상기 제1전선(17)은 상기 압전체(13)에 연결된 상태이기 때문에 차량 주행시 휠의 회전과 함께 회전하게 된다.

따라서, 본 발명은 제1전선(17)이 휠과 함께 회전하여 꼬이는 것을 방지하기 위하여 고정전기장치(18)가 구비된다.

상기 고정전기장치(18)는 회전하는 제1전선(17)의 전류를 차체에 장착된 컨버터(20)에 연결되는 제2전선(19)으로 전달하는 역할을 한다.

도 5는 본 발명에 따른 고정전기장치(18)의 일실시예를 보여주는 개략도로서, 상기 제1전선(17)이 휠과 함께 회전하여 꼬이는 것을 방지하기 위하여, 고정전기장치(18)는 다음과 같이 구성될 수 있다.

본 발명에서 고정전기장치(18)는 크게 현가장치의 회전체(예를 들어 휠 부분)에 고정되어 차량운행시 이 회전체와 함께 회전하는 회전부(18a)와, 현가장치의 비회전체에 부착 고정되어 차량운행시 비회전하는 비회전부(18b)로 이루어진다.

상기 비회전부(18b)에는 회전부(18a)에서 들어오는 전류를 수신하는 전류수신부(18b')가 구비되어 제2전선(19)에 전기적으로 연결되고, 이 전류수신부(18b')는 비회전부(18b)에 의해 차량에 고정되어 비회전하게 되고, 음극과 양극의 한 쌍으로 이루어진다.

상기 회전부(18a)에는 음극과 양극의 한 쌍으로 이루어져 상기 전류수신부(18b')와 직접 접촉하고 제1전선(17)과 전기적으로 연결되어, 이 제1전선(17)의 전류를 전류수신부(18b')에 전달하는 전류송신부(18a')가 구비된다.

상기 전류송신부(18a')는 회전부(18a)의 회전에 대해 독립적으로 구성되어, 상기 회전부(18a)가 휠과 함께 회전하더라도 전류송신부(18a')는 회전하지 않으며, 이를 위하여 전류송신부(18a')와 회전부(18a) 사이에 예를 들어 베어링과 같은 구름수단이 구성될 수 있다.

그리고, 상기 전류송신부(18a')는 스프링 기능(예를 들어 신축 기능)을 가지 고 있어서 전류수신부(18b')와 유격이 발생되더라도 일정한 압력으로 전류수신부(18b')에 전류를 전달할 수 있다.

이러한 회전부(18a)와 비회전부(18b)는 서로 상대운동을 하지만, 전류송신부(18a')와 전류수신부(18b')를 직접 접촉하게 함으로써 전기에너지의 이동이 가능하게 된다.

한편, 상기 컨버터(20)에는 캐패시터가 구비되어 직류로 변환된 전류를 일시적으로 저장하여 배터리(21)로 전달한다.

상기 배터리(21)는 전달된 전기적 에너지(혹은 직류 전류)를 저장하여 차량 에너지를 충당하고 차량에서 요구되는 기기에 공급한다.

예를 들어 상기 배터리(21)는 전기자동차나 하이드리드 차량의 구동원의 일부로 사용되거나 또는 차량의 다른 보조기기에 전력을 제공할 수 있고, 비상시 보조적인 출력을 공급하도록 사용될 수 있다.

특히, 상기 배터리(21)는 휠 내부에서 휠의 회전속도를 감지하는 휠 스피드 센서에 전력을 공급하도록 사용될 수 있다.

한편, 세계적으로 교통사고를 저감하기 위하여 안전법규 강화 및 안전 시스템 장착의 법규화가 증대되고 있으며, 이러한 추세에 따라 TPMS(Tire Pressure Monitoring System)를 이용하는 등 타이어 및 노면 상태를 감지하는 센서를 내장한 전자화 기술 융합 타이어 시스템에 대한 수요가 급증하고 있다.

본 발명은 상기 TPMS와 같은 타이어 시스템을 차량에 장착시 본 발명에 따른 배터리의 에너지를 전원공급원으로 이용함으로써, 차량 본체에서의 에너지 공급없 이도 가동 가능하도록 한다.

이와 같이 본 발명에 따른 자가발전시스템은 복잡한 전선 배치나 1회용 배터리의 사용 없이도 차륜의 부근에 구비되는 전장부품을 동작시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 컨버터(20)로 전달되는 전류 즉 제2전선(19)에 흐르는 교류를 검출할 수 있는 전기신호검출기(22)가 구비된다.

상기 전기신호검출기(22)는 압전체(13)에 의해 생성된 전류로부터 신호를 검출하여 휠의 회전 속도를 검출할 수 있다.

따라서 본 발명은 통상 휠 내부에 장착되는 휠 스피드 센서를 생략하고 상기 전기신호검출기(22)를 이용하여 휠 스피드 센서의 역할을 대체할 수 있다.

또한, 휠의 회전 속도 외에도 검출한 전기신호를 통해 차량 하중 정보, 주행 노면 정보 외에 차량 운동 특성에 대한 실 데이터를 수집하고, 수집한 데이터는 차체 제어 시스템에 전달되어 활용될 수 있다.

여기서, 상기 전기신호검출기(22)는 제2전선(19)이 아니더라도 압전체(13)가 생성한 전류가 흐르는 것이면 어디에서든 신호 검출이 가능하다.

도 6은 시간에 따른 발생전류를 보여주는 개념도이다.

통상적으로 속도는 거리/시간이고, 이에 따라 본 발명에서 차량의 속도는 휠의 원주길이/압력검출시간으로 산출할 수 있다.

따라서, 휠의 원주 상에 1EA의 압전소재를 가지는 차량의 주행속도는 (2*원주율*휠의 반지름)/A를 통해 구할 수 있다.

여기서 A는 주어진 압력차에 의해 압전소재에서 전류가 발생하는 시간 간격 을 나타낸다.

한편, 주지된 바와 같이, 노면으로부터 가해지는 충격을 완화하고 도로 주행을 가능하게 하는 타이어(11)는 휠 림(12)의 외주면에 고정설치되고, 휠 스포크(15)는 압전체(13)를 지지하며 휠과 차체를 연결한다.

즉, 상기 휠 스포크(15)는 차체에 고정되는 샤시(23)에 결합되어 차체에 고정된다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 실시예의 작동상태를 설명하면 다음과 같다.

도 7은 본 발명에 따른 자가발전시스템의 작동 순서를 보여주는 흐름도이다.

먼저, 휠의 소정 지점을 차량 하중에 의한 압력 검출 및 주행에 의한 압력작용점에 대한 기준점으로 정하되, 압전체(13)가 접한 부분으로 설정한다.

차량 주행시 휠의 회전에 따라 변동 하중 및 발생 변위가 발생하게 되면 휠 림(12)에 접한 압전체(13)에서 교류 전류가 생성되고, 제1전선(17)을 통해 전달되는 교류 전류는 고정전기장치(18)를 통해 제2전선(19)으로 전달되어 컨버터(20)에서 직류 전류로 변환된다.

직류 전류로 변환된 전기적 에너지는 배터리(21)로 전달되어 저장되고, 필요에 따라 차량 기기에 전기 에너지를 공급하게 된다.

이와 같이 본 발명에 따른 자가발전시스템은 차량의 중량과 차륜의 회전에 의한 변동 하중 및 발생 변위가 발생하면 휠에 설치된 압전체(13)를 통하여 전기적 에너지로 변환한 다음 배터리(21)에 충전하도록 구현할 수 있다.

또한, 본 발명은 전기적 에너지에서 검출한 신호를 통하여 휠의 회전 속도를 포함하는 차량 운동 정보를 수집할 수 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

도 1은 본 발명에 따른 차량용 자가발전시스템의 구성을 개략적으로 도시한 단면도

도 2는 본 발명에 따른 자가발전시스템의 일부를 도시한 분해 사시도

도 3은 본 발명에 따른 자가발전시스템의 일부를 도시한 결합 사시도

도 4는 도 1의 A-A를 취하여 도시한 단면도

도 5는 본 발명에 따른 고정전기장치(18)의 일실시예를 보여주는 개략도

도 6은 시간에 따른 발생전류를 보여주는 개념도

도 7은 본 발명에 따른 자가발전시스템의 작동 순서를 보여주는 흐름도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

11 : 타이어 12 : 휠 림

13 : 압전체 14 : 완충체

15 : 휠 스포크 16 : 스터드볼트

17 : 제1전선

18 : 고정전기장치

19 : 제2전선

20 : 컨버터(AC/DC컨버터)

21 : 배터리

22 : 전기신호검출기

23 : 샤시

Claims (5)

1. 삭제
2. 차량용 휠 림(12)과 휠 스포크(15) 사이에 설치되는 압전체(13)와, 상기 압전체(13)에서 생성된 전기적 에너지를 직류로 변환하여 저장하기 위한 컨버터(20) 및 배터리(21)를 포함하며,

   상기 압전체(13)는 휠 림(12)의 내측에서 원주방향을 따라 설치되는 동시에 상기 압전체(13)를 보호하고 충격으로부터 완화하기 위해 압전체(13)의 양측으로 완충제(14)를 구비함으로써 완충제(14) 사이에 압전체(13)가 개재되고,

   상기 압전체(13)와 완충제(14)는 휠 림(12)과 휠 스포크(15)의 사이에 개재되면서 휠 림(12)의 내주면과 휠 스포크(15)의 외주면에 접하게 되는 동시에 상기 압전체(13)는 휠 스포크(15)와 완충제(14) 및 휠 림(12)에 관통 체결되는 스터드볼트(16)에 의해 구속되는 것을 특징으로 하는 차량용 자가발전시스템.
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제

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