KR101212311B1 - 선형 감속 제어를 통한 차량 하중 발전 에너지 획득 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하중판 위를 통과하는 차량의 하중에 의한 에너지를 인출하여 커패시터에 저장하는 차량 하중 발전 에너지 획득 방법에 있어서, 차량 통과에 의해 하중판이 하강 시작 후 일정한 기울기로 감속을 시작하는 시점을 산출하는 단계와, 통과된 차량의 차속에서 발생되는 에너지가 최대로 인출되는 모의 부하 저항값을 계산하는 단계와, 상기 계산된 모의 부하 저항값을 가진 가상 부하 저항이 상기 발전기에 연결될 때, 상기 커패시터에 전달되는 충전 전류를 산출하는 단계와, 상기 산출된 충전 전류가 상기 커패시터에 입력되도록 제어하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.

Description

선형 감속 제어를 통한 차량 하중 발전 에너지 획득 방법{Linear Velocity Reduction Control Method for Acquiring Energy Generated from the Pressure Exerted by Passing Vehicles}

본 발명은 재생 에너지 획득 방법에 관한 것으로, 특히 제동 장치를 통하여 강제적으로 소모시켜야 할 차량의 운동 에너지를 포집하고 저장할 수 있는 차량 하중 발전 에너지 획득 방법에 관한 것이다.

전 세계적으로 녹색성장산업이 미래 산업으로 각광을 받고 있는 가운데, 친환경 에너지 활용이 그 어느 때보다 중요한 논의의 주제로 대두되고 있으며 이에 대한 관심이 증폭되고 학문적 연구가 활발해지고 있다.

전통적인 화석연료는 한번 사용하면 소멸되는 에너지인데 반하여 재생 에너지는 그 에너지원이 끊임없이 발생하므로 계속적으로 사용할 수 있는 에너지이다. 재생 에너지는 태양열, 태양광, 바이오매스(Biomass), 풍력, 수력, 지열, 해양, 폐기물등의 에너지를 지칭하는 것으로 공해발생이 현저하게 감소된 청정에너지를 의미한다.

도로상에서 차량 하중을 이용하여 발전하는 차량 하중 발전은 신재생에너지의 요건인 공해물질을 배출하지 않는 청정에너지 요건과 계속적으로 재생 가능한 재생 에너지 요건을 모두 만족한다. 따라서, 차량의 하중을 이용하는 친환경적인 발전 시스템이 선진국을 중심으로 태동하고 있다. 국내에서도 벤처기업을 중심으로 이 시스템의 개발을 추진하려는 움직임이 일어나고 있다.

외국의 경우 고속도로 진출로, 톨게이트, 학교 앞, 정류소, 주차시설, 건물의 지하 주차경사로 등에 이러한 발전 장치가 설치되고 있으며 인터넷에서도 이에 대한 몇 개의 업체가 소개되고 있는 실정이다. 이에 따라 신재생 에너지 및 친환경 에너지에 관심을 가지고 있는 관련 업체에서는 이에 대한 산업의 발전 추이를 예의 주시하고 있다. 전 세계적으로 7억대 이상의 차량이 운행되고 있는 점을 고려한다면 새로운 차량 하중 발전 시스템은 업계와 기술계에 큰 파장을 몰고 올 가능성을 가지고 있다.

차량의 하중발전 시스템은 신재생 에너지, 녹색성장, 친환경에너지와 같은 새로운 산업의 흐름 가운데서 태동하고 있는 개념이기 때문에 많은 관심을 끌고 있는 분야이긴 하나, 아직까지는 이에 대한 선행기술이나 관련자료가 미미한 상태이며, 산업계에서 개발하고 있는 기술에 대해서도 공개가 극히 제한되고 있는 실정이다.

이러한 이유로 인하여 차량을 이용한 하중발전 시스템에 대한 연구가 시급히 요구되고 있으며 기구적인 하드웨어와 전자적인 하드웨어 그리고 이 하드웨어를 동작시키는 핵심 소프트웨어와 관리 소프트웨어에 대한 통합적 연구가 필요한 시점이다.

또한, 차량의 하중 발전 장치를 통하여 발생되는 에너지는 짧은 시간 내에 일어나는 펄스성 에너지이기 때문에 적기에 이를 인출하지 않으면 발생된 에너지를 효율적으로 이용할 수가 없다. 하중 발전 장치를 통하여 발생되는 에너지는 차량의 속도, 질량, 발전 장치의 고유 정수, 전기부하의 조건 등에 따라 인출 및 저장 효율이 크게 변하게 된다. 따라서, 인출 및 저장 효율을 최적화하기 위하여 제어변수들을 동적으로 관리하며, 에너지 흐름의 전 과정을 통하여 에너지의 생성과 저장을 최적화하는 방법을 연구하는 것이 필요하다.

따라서, 본 발명은 차량 하중 발전에서 발생되는 에너지를 획득하는 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 차량 하중 발전에서 제어 변수를 동적으로 관리하여 하중 발전에 따른 최대 에너지를 획득하는 방법을 제공한다.

본 발명은 하중판 위를 통과하는 차량의 하중에 의한 에너지를 인출하여 커패시터에 저장하는 차량 하중 발전 에너지 획득 방법에 있어서, 차량 통과에 의해 하중판이 하강 시작 후 일정한 기울기로 감속을 시작하는 시점을 산출하는 단계와, 통과된 차량의 차속에서 발생되는 에너지가 최대로 인출되는 모의 부하 저항값을 계산하는 단계와, 상기 계산된 모의 부하 저항값을 가진 가상 부하 저항이 상기 발전기에 연결될 때, 상기 커패시터에 전달되는 충전 전류를 산출하는 단계와, 상기 산출된 충전 전류가 상기 커패시터에 입력되도록 제어하는 단계를 포함한다.

본 발명은 하강속도의 기울기 즉 하강가속도의 값과 모의저항값, 선형구간의 시작시간을 최대 인출이 가능한 조건으로 추정(Estimation)하여, 이 추정된 값으로 저장장치에 저장되는 에너지가 최대값을 가질 수 있도록 실시간으로 계산하여 상기 변수에 대한 값을 최종적으로 결정하고 이후 시스템 제어값을 도출할 수 있다는 이점이 있다.

도 1은 차량 하중판이 설치된 일 예를 도시한 도면이다.
도 2는 하중 발전 장치의 단순화된 구성도를 도시한 도면이다.
도 3은 하중판의 하강 속도를 나타낸 도면이다.
도 4는 하중판의 하강 가속도를 나타낸 도면이다.
도 5는 부하의 크기와 하강 속도의 관계를 나타낸 도면이다.
도 6은 선형감속제어법의 하강속도제어
도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 선형 감속 제어를 이용한 차량 하중 발전 에너지 획득 장치의 회로 구성도이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 선형 감속 제어를 통한 차량 하중 발전 에너지 획득 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 9는 선형감속시작시간(

) 대 차량 통과시간(

)을 도시한 도면이다.
도 10은 차량 속도에 대한 모의부하저항 및 선형감속시작시간 그래프를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 시스템 변수 (

)를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 시스템 변수 (

)를 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 에너지 발생량과 저장량(vco=0 V)을 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 에너지 발생량과 저장량(vco=100 V)을 나타낸 도면이다.
도 15는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 발생에너지(

)를 나타낸 도면이다.
도 16은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 발생에너지(

)를 나타낸 도면이다.
도 17은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 저장에너지(동적

결정)를 나타낸 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 바람직한 실시 예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 기술하기로 한다.

본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명 실시예들의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

본 발명을 설명하기에 앞서, 명세서 전반에 걸쳐 사용되는 용어들은 사용자 또는 운용자의 의도, 관례 등에 따라 충분히 변형될 수 있는 사항이므로, 이 용어들의 정의는 본 발명의 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 발명은 하중판의 하강 속도를 특정 시점에서 선형적으로 감소시켜 추가적인 에너지를 인출하고 저장할 수 있는 차량 하중 발전을 통해 최대 에너지를 획득하는 방법을 제공한다.

우선 본 발명의 이해를 돕기 위해 차량 하중 발전의 동작 원리에 대해 살펴보기로 한다.

일정한 속력으로 주행하는 차량이 감속 또는 정지하기 위해서는 자신이 가지고 있는 운동에너지를 소모시켜야 한다. 즉, 사거리의 정지선이나, 톨게이트, 경사가 심한 내리막길 등에서 차량이 운동에너지를 감소시키기 위하여 제동을 가하며, 제동시 노면과의 마찰에 의해 운동 에너지는 열에너지로 소모되게 한다.

따라서, 차량 하중 발전을 위해 도 1에 도시된 바와 같이 제동이 필요한 구간에 진행방향으로 일정한 길이와 일정한 높이를 가지는 과속 방지턱과 같은 에너지 흡수용 하중판을 설치한다.

도 2는 도 1에 도시된 바와 같은 하중판 하부에 설치된 하중 발전 장치의 단순화된 구조의 일 예를 나타낸다.

도 2에 도시된 바와 같이, 하중판은 비선형 용수철의 구조로 지탱되고, 적절한 승차감의 유지를 위하여 너무 높지 않아야 하며, 차량이 하중판을 누르고 통과한 후, 원래대로 복원되는 구조를 가져야 한다. 본 발명에서 하중판을 원위치로 복원시키는데 사용되는 에너지의 크기는 차량의 하중에 의해 발생되는 에너지의 크기에 비하여 무시할 정도로 작다고 가정하고 설명하기로 한다.

차량은 하중판에 접근함에 따라, 하중판의 높이만큼 그 수직적 위치가 변동되는데, 이때 차량의 운동에너지의 일부가 위치 에너지로 변환된다. 이 위치 에너지는 차량의 무게로 하중판이 낙하함에 따라 하부의 발전 장치를 구동시키는 에너지의 원천이 된다. 그런데, 차량이 짧은 시간 동안 하중판위에 머무르므로 차량 하중 발전 장치에 발생되는 전기에너지는 짧은 펄스폭을 가진 에너지 형태가 된다.

상기 회전형 발전기를 <수학식 1>과 같이 나타내면 선형 직류 발전기 모델로 해석하기에 매우 편리하게 된다.

차량이 하중판에 올라오면 하중판은 직선으로 하강운동을 하며 발전기의 축에 있는 변환 기어를 통하여 발전기를 회전시키게 된다. 이 구조는 하중판에서 볼 때 일정 자기장내에서 직선운동을 하는 도체군을 가진 발전기로 생각할 수 있다. 회전기기의 자계는 회전각도에 따라 변하게 되지만 한 사이클을 기준으로 자속밀도의 실효치를 이용하면 선형직류발전기에서의 시불변 자속 밀도처럼 해석할 수가 있게 된다. 또한, 자속밀도와 도선의 길이, 기어비 등을 고유정수로 하나로 묶어 K로 나타낼 수 있다.

<수학식 1>과 <수학식 2>로부터 알 수 있는 바와 같이 선형 직류 발전기의 기전력

는

를 상수로 하여 하중판의 하강 속도에 비례하며, 발전기를 구동시키는 힘에 반대 방향으로 생기는 유도된 힘

역시

를 상수로 하여 부하전류

에 비례한다. 즉, 외부동력에 의하여 발생한 기전력은 내부 회로로 전력을 공급하고 이 때 돌아오는 부하 전류로 말미암아 플레밍의 왼손법칙에 의하여 외부동력에 반대되는 방향으로 유도된 힘이 작용한다. 외부 동작에 대항하는 힘의 발생으로 외부 동력으로 움직이던 자속을 끊는 도체의 속도는 제한을 받게 되고, 속도가 감소하면서 도체에 발생하는 기전력이 감소하며 기전력의 감소는 부하전류의 감속으로 이어져 전형적인 부궤환 제어가 이루어진다.

하중판 위에 있는 차량은 중력에 의해 하강을 시작하게 된다. 중력으로 압박하는 힘은 하중판과 발전기의 기어를 거쳐 발전장치의 축을 돌리게 된다. 차량이 압박하는 힘은

로 나타난다. 이 힘에 의하여 발전기가 시동하기 시작하면 무부하 상태에서는 저항받는 힘이 없으므로 이론적으로 중력 가속도

에 가까운 속도로 증가하지만 일단 부하가 걸리게 되면 부하전류에 비례상수

를 곱한

에 해당하는 유도된 힘이 반발력으로 나타나 속도의 증가가 둔화된다. 이를 수학식으로 나타내면 하기의 <수학식 3>과 같고, 이를 정리하면 <수학식 4>와 같다.

상기 <수학식 3> 및 <수학식 4>에서

은 차량의 질량이고,

는 차량이 하강하는 속도이고,

는 부하전류에 의한 반발력이고,

는 중력 가속도를 의미한다.

차량 하중 발전 장치에 흐르는 전류는 부하의 크기에 따라서 변화한다. 부하 전류의 조정은 외부 조작 등의 인위적인 조정이 가능하나, 부하의 전류 변화는 하강 속도에 영향을 끼쳐 기전력의 크기를 변화시키므로 시스템의 정량적인 분석을 어렵게 만든다. 먼저 능동적 부하보다 수동적 부하인 저항성 부하를 통하여 발전기의 기본 동작 원리를 살펴보고 그 형태를 파악하고자 한다.

저항성 부하는 전류와 전압관계를 선형적으로 규정하여 주므로 동작 형태를 이해하는데 있어서 편리하며 향후 능동적 조정을 하기 위한 기초지식을 제공해 주므로 발전기의 동작 형태를 분석하는 데에 있어서 필요한 단계로 이해된다.

기전력

가 발생할 때, 부하전류는 발전기의 내부저항

과 외부의 저항성 부하

을 통하여 흐르므로 부하전류는 <수학식 5>와 같다.

<수학식 5>를 <수학식 4>에 대입하면 <수학식 6>과 같이 하강속도를 구할 수 있다. 이때 초기 하강 속도는 일정 높이에서 차량이 낙하를 시작하므로

이다.

<수학식 6>의 해를 구하면 하강 속도

는 다음의 <수학식 7>와 같이 표현된다.

한편, K는 발전기의 특성을 나타내는 값으로 발전기에 따라 고유한 값을 가진다. <수학식 7>에서 보는 바와 같이 부하저항이 일정할 때 차량의 하강 속도는 지수함수의 형태로 나타난다. R과 K값에 따라서 하강 속도는 직접 영향을 받으며 본 발명에 따른 에너지 인출량에도 큰 차이를 나타낸다. 그러나, K값의 경우 일정값 이상이 되면 에너지 인출에는 큰 영향을 끼치지 못하는데 이에 대해서는 하기에서 자세히 다루도록 한다.

하강 속도와 기전력은 직접적인 비례관계에 있기 때문에 하강 속도의 변화 추이를 관찰하는 것은 매우 중요하며 전력 인출 및 최대 에너지 인출을 위하여 때로는 하강 속도를 인위적으로 조정할 필요가 있다. 이러한 하강 속도는 차량의 접근 속도와 더불어 궁극적으로 에너지 인출과 직접적인 관계가 있는 가장 중요한 파라미터 중의 하나이므로 향후 이 파라미터를 어떻게 제어하느냐에 따라 에너지의 인출 및 저장 성능이 크게 영향을 받게 된다. 시간이 흐르면 속도가 많이 증가하지 못하고 궁극적으로 정속 운동에 들어가므로 전압이 일정하게 안정되고 전류도 유사한 형태로 안정된다.

도 3은 저항성 부하가 선형 직류 발전기에 연결되었을 때, 시간과 하중판 하강 속도와의 관계를 보여 준다.

저항성 부하에서 하중판의 하강 가속도는 <수학식 8>과 같이 표현되며, 도 2는 시간과 하중판의 하강 가속도 그래프를 보인다.

도 4에서 하중판의 가속도 특성을 보면 시간이 경과됨에 따라 점점 낮아지며 영점에 수렴함을 알 수 있다. 가속도의 값은 항상 양의 값을 가지므로 낙하 속도는 계속 증가하는 단조함수임을 알 수 있다. 즉, 고정 저항성 부하에서는 낙하 속도와 기전력이 감소하지 않고 계속적으로 증가한다. 이러한 특성은 에너지 저장용으로 수퍼커패시터나 배터리를 사용하는 일반적 환경과 잘맞아 떨어지며 보다 간편하게 에너지를 저장할 수 있는 길을 열어준다. 그러나, 모든 고정 저항 부하에서 기전력이 계속하여 증가하므로 낙하를 마치고 지면에 닿거나, 지면을 통과하는 순간 운동에너지의 손실을 가져오며 이는 최대 에너지 포집을 어렵게 만든다.

도 5는 부하의 크기에 따른 하중판의 하강 속도를 보여준다. 이러한 저항성 부하를 통한 에너지 포집에는 장점과 단점이 공존하지만 본 발명의 방법으로 효율적으로 에너지를 인출할 수가 있다.

따라서, 각각의 다른 저항성 부하 값에 따라 차량의 하강속도가 어떻게 변할 것인지를 자세히 살펴보는 것은 중요하다. 부하가 작으면 속도가 빨라질 것이라고 예측할 수는 있지만 정량적으로 얼마나 차이가 있는지를 미리 알아보는 것이 필요하다.

무부하일 때에도 하중판에 가해지는 스프링의 저항과 발전장치의 회전자 관성 및 마찰력이 일부 존재 하지만 전술한 바와 같이 상대적으로 낮은 값이므로 이를 무시하면, 중력가속도와 비슷한 값으로 가속되며 부하가 커질수록 정속에 이르는 시간도 짧아지고 최종 속도도 작아지는 것을 알 수 있다.

그러면, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 선형 감속 제어를 통한 차량 하중 발전 에너지를 획득하는 장치 및 방법에 대해 살펴보기로 한다.

본 발명은 차량의 하중 발전에 따른 에너지 획득에 관한 것이나, 본 발명의 에너지 인출 과정을 일부 변경하면 차량이 아닌 유사한 하중 발전용으로도 적용이 가능하다.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 선형 감속 제어를 통한 차량 하중 발전 에너지 획득 장치의 구성도를 도시한다.

도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 차량 하중 발전 에너지 획득 장치는 발전부(110)와, 발전부(110)의 보호를 위한 전원 제한부(120)와, 전압 제어부(130), 전류 제어부(140), 수퍼커패시터(150), 제어부(160)로 구성된다.

발전부(110)는 선형직류기일 수 있으며, 내부저항

을 가진다. 수퍼커패시터(150)는 등가직렬저항(ESR)

를 가지며,

는 ESR 전압강하를 포함하지 않는 순수한 커패시터에 저장된 전압을 의미한다. 또한, 차량용 하중발전에서는 대부분의 경우에 차량이 지나가면서 하중판을 밟아 에너지를 발생시키므로 발전부에서 발생하는 에너지가 대부분 0.5초 이내의 매우 짧은 시간에 다양한 형태의 펄스성 전압파형으로 나타난다. 따라서, 이러한 경우에는 순간적으로 입력되는 큰 값의 펄스성 에너지를 짧은 시간 내에 충전해야 하는 것을 필요로 한다. 상대적으로 짧은 시간 동안 발생하는 에너지에 대한 효율적인 저장을 위해서는 축전지와 같은 화학적 반응을 이용하는 저장 장치대신 일반 커패시터의 특성을 가지고 있는 수퍼커패시터를 사용함으로 말미암아 이와 같은 요구에 부응할 수 있게 된다.

전압 제어부(130) 및 전류 제어부(140)는 전력 변환기로써, 이러한 전력 변환기는 일단 혹은 다단으로 구성할 수 있으며, 전압제어와 전류제어를 동시에 수행할 수가 있다. 또한, 전압 제어부(130) 및 전류 제어부(140)의 입력과 출력측의 전력을 동일하며 이상적인 변환기로 간주된다. 또한, 수퍼커패시터(160)가 최종단에 연결되는 전력 변환기는 전류제어를 자유롭게 할 수 있어야 한다.

전력변환기는 입력 전력에 대해 비선형적인 변환효율과 일정한 입력전압의 문턱치가 존재하지만, 본 발명에서는 이러한 요소는 고려하지 않기로 한다. 그렇더라도 본 발명의 요지에 큰 영향을 미치지 못하며, 실제 응용 시에는 필요에 따라 이에 대한 경계 조건을 설정함으로써 생략된 회로요소로 인하여 발생할 수 있는 문제를 해결할 수 있다. 또한, 최종단의 전류 제어부(140)는 수퍼커패시터(150)에 입력되는 전류를 제어하는 장치로서 빠른 부궤환 제어와 응답특성을 가진다.

또한, 후술되는 모의 저항 R은 실제로 연결되지 않으며 단지 제어시 목표가 되는 값이다. 마치 이곳에 R이란 부하가 실제 연결된 것처럼 본 발명의 방법을 적용해 나가게 된다.

제어부(160)는 선형 감속 제어를 통해 최대 에너지를 인출하기 위해 전류 제어부(140)를 제어하여 수퍼커패시터(150)에 입력되는 전류를 신속히 제어하도록 한다.

이러한, 제어부(160)의 동작에 대해서는 후술하는 선형 감속 제어를 통한 차량 하중 발전 에너지 획득 방법을 통해 좀 더 상세히 설명하기로 한다.

도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 하강 속도 제어 원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 7을 참조하면, 차속에 따라 일정 시간 동안 낙하속도 v를 제어하고,

시각부터 일정한 기울기로 감속을 시작한다. 일정 시간 동안 낙하 속도 v의 제어는 모의 저항 제어에 의해 수행될 수 있는데, 모의 저항 제어란 발전 장치에 가상의 모의 저항이 연결된 것이 커패시터에 최대 에너지가 저장될 수 있도록 하는 방법이다.

한편, 하중판이 하강할 때 발전부로 전달되는 물리적인 에너지는 <수학식 9>과 같이 정의된다.

<수학식 9>에서

는 발전기에 전달되는 물리적인 에너지를, s는 하강거리를 나타낸다. 물리적으로 최대에너지를 발전기에 전달하기 위해서 거리 s를 최대로 하고 하강 속도 v를 최소로 해야 한다. 즉,

(하중판의 높이)이고,

일 때 물리적으로 가능한, 최대 에너지가 발생한다. 따라서, 차량의 하강속도 v를 부하로 조절하여 지면에 근접할 때 혹은 지면을 통과할 때 속도를 0에 가깝게 제어하면 최대 에너지를 발전기에 전달할 수 있게 된다.

그런데, 하중판이 지면에 닿을 시에 속도를 완전히 0으로 만들 수는 없다. 그 이유는 발전기의 내부 저항과 전력변환기의 최소입력 전압 때문이다. 전력 변환기의 최소입력 전압을 무시한다 하더라도 발전기의 내부저항으로 인하여 여전히 정지 상태에 도달시킬 수는 없다. 따라서, 본 발명에서는 단지 정지 상태에 가장 근접하도록 제어하는 것을 목표로 한다. 또한, 본 발명에서는 빠른 전류 제어를 위한 정교한 전력변환기가 요구되며, 이로 인하여 더 많은 양의 에너지 인출이 가능해진다.

따라서, 본 발명에서는 차량의 하중판이 하강을 시작한 후, 일정시간이 지나면 그 시점부터 일정한 기울기로 속도를 감속하는 제어를 실행한다. 지면 가까이에서 잔여 속도가 0에 가깝게 되므로 본 발명은 에너지를 인출하는 데에 있어 상대적으로 유리하다.

도 7에서 선분 CG의 기울기는 부의 기울기를 가지며 기울기의 절대값이 클수록 발전기에 흐르는 전류가 증가하므로 기울기의 크기는 발전기가 허용할 수 있는 전류범위 내에서 결정되어야 하며 시뮬레이션에서는 50-200% 이내 전류증가 범위를 목표로 한다.

본 발명에서 하중판의 하강 속도는 <수학식 10>과 같이 표현된다.

하중판이 하강을 시작하는 초기에는 하강속도

이고, 일정한 시간

경과 후 선형적으로 감소하는 구간에서 하강속도

를 가진다. 속도의 비기울기값인

는 클수록 더 많은 에너지 인출이 가능하다. 즉, 비기울기의 값이 클수록 발전기에 흘러 들어가는 전류의 양은 증가한다.

그러나, 실상 발전기의 물리적인 전류치 제한 때문에 비기울기는 일정한 한계값을 가질 수밖에 없다. 비기울기의 값을 제한하는 또 다른 요인은 전력변환기의 전류 스위칭 속도이다. 전원 변환기의 종단은 전류제어를 담당하는 부분인데 전류제어의 속도가 충분치 크지 못하면 비기울기

는 작은 값으로 제한받게 된다. 본 발명의 실시 예에서는 전류제어를 1 밀리 초 이내의 단위에서 수십 암페어 수준으로 행하는 것을 가정하였으며 이값은 상기 규모의 전류가 흐르는 스위칭 회로에서 현실성 있는 값으로 인식된다. 발전장치에 흘러들어가는 전류는 <수학식 11>과 같다.

그러면, 도 8을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 선형 감속 제어를 이용한 차량 하중 발전 에너지 획득 방법을 설명하기로 한다.

도 8을 참조하면, 제어부는 210 단계에서 차량의 주행속도

를 측정한다. 그리고, 상기 측정된

를 이용하여 220 단계에서 하중판을 통과하는 시간

를 다음의 <수학식 12>에 의하여 결정된다.

<수학식 12>에서

는 차량이 주행하는 방향으로 하중판의 길이(m)이며,

는 차량의 수평이동 속도로 단위는 km/h이다.

다음으로 230 단계에서 발전장치의 전류 허용치와 전력변환기의 전류 스위칭 속도에 의하여 정해지는 비기울기의 또는 선형 기울기 값

를 구한다.

도 7에서 점 W는 발전기의 내부저항과 선형 감속구간에서 흐르는 전류의 곱에 의하여 나타나는 전압강하를 하강속도에 대응시킨 값으로서 <수학식 13>과 같이 표현된다.

<수학식 13>에서

은 발전장치의 내부저항을 나타낸다. 도 7에서 OBWU로 둘러싸인 부분의 면적은 하중판이 하강하는 거리를 나타낸다. 도 7에서 모델링한 것처럼 하강속도는 시간

에서 물리적으로 정지속도에 가장 근접한 값이 되도록 하여 OBWU 면적이 최대하강 거리

와 같거나 그 값에 가장 가까울 때 최대 에너지가 발생하게 된다. 즉 최대 에너지가 발생할 때 최대 하강 거리는 OBWU면적으로 <수학식 14>와 같은 식으로 표현된다.

제어부는 240 단계에서 <수학식 14>로부터 선형 감속 시작점인

값을 구한다.

값은 모의 저항값을 동적으로 조정하여 <수학식 14> 좌변의

값이

값을 넘지 않는 범위에서

에 가장 가까워지도록 하는 것이 본 발명의 중요한 요소 중의 하나이다.

<수학식 14>를 이용하여

일 때 시뮬레이션으로 구한 값은 도 9와 같다. 도 9에 도시된 바와 같이

는

가 증가함에 따라 비선형적으로 증가하는 속성을 보인다.

에너지의 최대 인출을 위하여 선형감속이 시작되는 시간

는

가 증가함에 따라 같이 증가한다. 본 발명에서는 도 7에서 폐곡선 OBWU의 면적이 하중판의 하강거리 이하의 값이어야 하기 때문에 차속이 일정값 이하로 떨어지더라도 더 이상 증가하지 못하고 일정한 값으로 제한된다.

따라서,

값과 모의저항값도 더 이상 증가하거나 감소하지 못하고 동일한 원리에 의하여 일정한 값으로 제한된다.

도 10은 차속에 따른 모의 저항값과 선형 감속 시작 시간의 변화를 도시한 도면이다.

다음은 제어부가 280 단계에서 전력변환기의 입력측에 전달되는 순시 전력을 계산한다. 입력측 순시전력은 <수학식 15>에 의해 산출된다.

입력전력

은 출력전력

와 동일하므로

가 된다. 즉, 전력변환기의 출력측 전력은 수퍼커패시터의 등가직렬저항(ESR)에 소비된 전력과 커패시터 자체에 저장되는 전력의 합으로 <수학식 16>과 같이 산출된다.

입출력 효율을 1이므로

이 된다. 만약 변환효율을 고려하여 시스템 변수에 대한 값을 계산해야 될 경우라면 전력변환기의 효율을

에 곱하여 사용하여야 한다. <수학식 16>을 부하저항에 전달되는 전력으로 표현하면 <수학식 17>과 같다.

상기 <수학식 17>을

에 대하여 다시 정리하면, 하기의 <수학식 18>과 같이 표현할 수 있다.

그런데, 본 발명에서는 커패시터에 저장된 에너지가 감소하지 않고 계속 증가하는 조건, 즉

인 경우에만 관심이 있으므로,<수학식 18>을 <수학식 19>와 같이 표현할 수 있다. 이는 290 단계에서 해당한다.

<수학식 19>는 정확해(Exact Solution)가 가능하지 않는 비선형 일차 미분 방정식이므로 수치해석법을 도입하여 해를 구하는 방법을 사용한다. 본 발명에서는 미분방정식의 수치해석에 있어서 정확도가 높은 것으로 알려져 있는 4차 룽게-쿠타(4th order Runge-Kutta)방법을 사용할 수 있다. 4차라는 의미는 계산에 사용된 미소구간을 h라 할 때, 전체 누적오차가

, 단계오차가

수준임을 의미한다.

Runge_Kutta 방법에 의해 해를 구한 후 최종적인 제어 전류치인 충전전류

를 구하는데, 충전전류

는 <수학식 20>에 의해 산출된다. 이는 도 8의 300 단계에 해당한다.

본 발명에서 하강시간의 앞부분에서는 모의저항제어법과 유사한 형태의 제어가 되고 있지만 이는 모의 저항 제어법에서 구한 모의저항값보다 선형감속제어법의 모의저항값이 증가된 값이다. 이는 후기의 감속 구간에서 속도가 감소하므로 하강 거리를 가능한 한 크게 늘이기 위하여 모의 저항값을 증가시켜 빠르게 하강 하도록 유도하기 때문이다.

도 11을 살펴보면, 선형 감속 구간이 시작되는 시점에서 전류가 갑자기 증가하는 것을 발견할 수 있다. 하중판은 도 3에 도시된 바와 같이 선형감속 구간이 시작되기 전에는 저항성 부하에서 계속하여 증가하는 단조함수의 특성을 보인다. 이후 하중판의 속도가 (+)가속도에서 (-)가속도로 전환되어야 하므로 발전장치에 운동방향과 반대되는 큰 힘을 인가하여야 하는데 이는 부하 전류를 증가시킴으로써 가능하게 된다. 선형 감속 구간에서의 비기울기는 일반적으로 큰 값을 취할수록 에너지의 인출이 유리하게 된다. 그러나 큰 값의 비기울기를 취하게 되면 발전장치에 흐르는 부하전류가 증가하게 되므로 이 값은 발전장치가 허용할 수 있는 정격 전류치에 따라서 합당하게 결정되어야 한다.

도 11은 속도의 비기울기값이 0.5(

)일 때 각 시스템 변수의 파형을 표시한다.

도 12는 속도의 비기울기가 1.0(

)일 때 각 시스템 변수의 파형을 보여 준다.

도 12에서 알 수 있는 바와 같이

의 증가로 충전전류의 변화율이 더욱 커지게 된다. 이렇게 빠르게 감소하는 전류를 실시간으로 제어하기 위해서는 더 정교한 하드웨어 제어장치와 전력변환기가 필요하다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 에너지의 발생, 전달, 저장 상태가 도 13에 도시되어 있다.

도 13은 비기울기

의 값을 1.0으로 설정했을 때의 값을 보여주고 있다. 수퍼커패시터의 초기 전압치가 0 V일 때 전력 변환 없이 발전 에너지를 커패시터에 저장되도록 하는 직접저장법과 최대 에너지 인출을 위해 가상의 부하 저항을 조절하는 모의저항제어법에 비하여 높은 에너지 저장 결과를 보인다. 예를 들어 직접저장법에서는 수퍼커패시터에 저장되는 최종 에너지 저장결과가 118 J, 모의 저항 제어법에서는 435 J, 본 선형감속제어법에서는 453 J로 나타났다.

수퍼커패시터의 전압 초기치가 100 V일 때의 최종 에너지 저장 결과가 도 14에 도시되어 있다.

초기치 0 V와 비교하여 볼 때 발생에너지와 전력변환기에 전달된 에너지, 최종 저장 에너지의 차이가 현저히 줄어들었다. 전압 초기치가 100 V 일 때 직접저장법, 모의저항제어법, 선형감속제어법에서 최종 에너지 저장량은 각각, 약 554 J, 593 J, 618 J의 성능을 보였다. 에너지 레벨뿐만 아니라 시간에 있어서도 상대적으로 빠른 시간 내에, 즉 수평이동 차량속도가 더 빠른 환경에서도 뛰어난 성능을 보여 주고 있다.

본 발명에 따른 차량 하중 발전 에너지 방법은 차량의 주행 속도에 따라 최적의 에너지 인출 및 저장이 기능하도록 그에 맞는 제어 방법을 찾아내는 데에 그 목적이 있다.

도 15는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 선형 감속 제어를 통한 하중 발전 에너지 획득 방법을 적용하였을 때 차량의 속도에 따른 최종 에너지 저장량을 보여 준다. 최종 에너지 저장량은 선형 감속구간의 속도 기울기에 의존한다. 도 15는 속도의 비기울기의 값을 의미하는

가 0.5일 때의 에너지 저장량을 표현한다.

도 16은

일 때의 최종 에너지 저장량을 보인다.

와 비교하여 볼 때 전반적으로 에너지 레벨이 높아진 것을 알 수 있다. 예를 들어 차량의 주행 속도가 10 km/h 일때, 도 16과 같이

에서는 약 250 J이지만, 도 17과 같이

일 때는 약 350 J 이다.

지금까지 본 발명에 대한 세부 분석을 위하여 모든 차속에 대하여 일정한 기울기를 가지는 것으로 모형화하였지만 실제적으로 적용되는 본 방법에서는 기울기가 차속에 따라 동적으로 변화하는 특성을 가진다. 즉, 모든 차속에 대하여 일정한 값의 기울기를 가지는 것이 아니라 발전기가 전류 제한치로 인하여 물리적으로 허용하는 감속기울기의 허용범위 내에서 차속에 따라 최대 에너지를 인출하고 저장할 있는 최적의 기울기값이 동적으로 결정된다. 즉, 차속을 먼저 측정한 후 그 차속에 대한 모의저항과, 선형감속 시작시간, 하강속도의 기울기를 추정하고 이를 저장에너지가 최대로 되는 지점에서 최종적인 하강속도의 최적 기울기를 결정하는 방식이다.

Claims (3)

1. 하중판 위를 통과하는 차량의 하중에 의한 에너지를 인출하여 커패시터에 저장하는 차량 하중 발전 에너지 획득 방법에 있어서,
   차량 통과에 의해 하중판이 하강 시작 후 일정한 기울기로 감속을 시작하는 시점을 산출하는 단계와,
   통과된 차량의 차속에서 발생되는 에너지가 최대로 인출되는 모의 부하 저항값을 계산하는 단계와,
   상기 계산된 모의 부하 저항값을 가진 가상 부하 저항이 발전기에 연결될 때, 상기 커패시터에 전달되는 충전 전류를 산출하는 단계와,
   상기 산출된 충전 전류가 상기 커패시터에 입력되도록 제어하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 선형 감속 제어를 통한 차량 하중 발전 에너지 획득 방법.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 감속하는 시점을 계산하는 단계는
   상기 하중판을 통과하는 차량의 차속을 측정하는 단계와,
   상기 차량의 통과 시간을 계산하는 단계와,
   선형 기울기를 추정하는 단계와,
   최대 에너지를 인출하는 감속 시간을 추정하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 차량 하중 발전 에너지 획득 방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 충전 전류를 산출하는 단계는
   상기 산출된 가상 저항값에 따른 부하 전력을 계산하는 단계와,
   상기 계산된 부하 전력을 이용하여 충전 전압을 계산하는 단계와,
   상기 계산된 충전 전압으로부터 충전 전류를 계산하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 선형 감속 제어를 통한 차량 하중 발전 에너지 획득 방법.

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