KR101229646B1 - 태양 전지를 이용한 전기자전거 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 태양 전지를 이용한 전기자전거는, 태양전지를 이용하여 모터를 구동하는 전기 자전거에 있어서, 태양광을 입력받아 전기 에너지로 전환하는 태양 전지와; 상기 태양 전지에서 전환된 전기 에너지의 변화를 감지하여 그에 대응하는 전압의 추종값을 제어하여 출력하는 최대전력점추종 컨버터와; 상기 최대전력점추종 컨버터에서 출력되는 전압을 증폭하는 부스트 컨버터와; 상기 부스트 컨버터에서 증폭된 전압을 충전하는 충전부와; 상기 충전부에서 충전된 전압으로 상기 전기자전거의 휠을 회전시키는 구동 모터와; 상기 구동 모터를 펄스 폭 변조 신호에 따라 구동 전류를 조절하여 속도를 제어하는 제어부를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
본 발명의 태양 전지를 이용한 전기자전거에 따르면 최대전력점추종 컨버터를 이용하여 태양 전지의 출력 전압을 최대 전력동작점에 추종하도록 하여 충전함으로써 안정적으로 전기자전거에 전력을 제공할 수 있다.

Description

태양 전지를 이용한 전기자전거{ELECTRIC BICYCLE USING OF SOLAR CELL}
본 발명은 태양 전지를 이용한 전기자전거에 관한 것으로, 특히 최대전력점추종 컨버터를 이용하여 태양 전지의 출력 전압을 최대 전력동작점에 추종하도록 하여 충전함으로써 안정적으로 전기자전거에 전력을 제공할 수 있는 태양 전지를 이용한 전기자전거에 관한 것이다.
유가의 상승과 환경보호에 대한 인식이 증가하면서 친환경적인 교통수단에 관한 관심이 증가하고 있다. 특히 자전거는 탑승자가 페달을 사용하여 바퀴를 회전시켜 인력으로 이동하게 되어 있어 별도의 에너지를 필요로 하지 않아 유지비용이 저렴하며 운동효과가 높아 많이 애용하고 있다.
그러나 종래의 자전거는 단순히 인력으로 이동하게 되므로 경사로를 올라가는 경우 곤란하다는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 자전거의 일측에 배터리와 모터를 장착하여 전기의 힘에 의해 구동되는 전기 자전거가 개발되었다.
상기 전기자전거는 페달을 사용하여 인력으로 이동하는 것과 전기를 사용하여 이동하는 것을 선택할 수 있으며 동시에 사용하는 것도 가능하도록 개발되어 일반적으로 오르막에서는 전기에너지의 도움을 받아 올라가게 되며 내리막이나 평지에서는 페달만을 사용하여 이동하도록 하고 있다.
그러나 상기 전기자전거는 배터리에 전기가 충전된 상태에서만 모터를 구동시킬 수 있으므로 사용 중 모두 방전되면 사용이 불가능해진다는 문제점이 있다. 또한 배터리를 충전하기 위해서는 전기 소켓이 있는 곳을 찾아야 하므로 매우 불편하다는 문제점도 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 최대전력점추종 컨버터를 이용하여 태양 전지의 출력 전압을 최대 전력동작점에 추종하도록 하여 충전함으로써 안정적으로 전기자전거에 전력을 제공할 수 있는 태양 전지를 이용한 전기자전거를 제공하는 것이다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 태양 전지를 이용한 전기자전거는, 태양전지를 이용하여 모터를 구동하는 전기 자전거에 있어서, 태양광을 입력받아 전기 에너지로 전환하는 태양 전지와; 상기 태양 전지에서 전환된 전기 에너지의 변화를 감지하여 그에 대응하는 전압의 추종값을 제어하여 출력하는 최대전력점추종(MPPT:Maximum Power Point Tracking) 컨버터와; 상기 최대전력점추종 컨버터에서 출력되는 전압을 증폭하는 부스트 컨버터와; 상기 부스트 컨버터에서 증폭된 전압을 충전하는 충전부와; 상기 충전부에서 충전된 전압으로 상기 전기자전거의 휠을 회전시키는 구동 모터와; 상기 구동 모터를 펄스 폭 변조(PWM:Pulse Width Modulation) 신호에 따라 구동 전류를 조절하여 속도를 제어하는 제어부를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 최대전력점추종 컨버터는 상기 태양 전지로부터 출력되는 직류 전압을 기준 전압과 비교하여 직류 전압 추종값을 감지하는 전압 감지부와; 상기 전압 감지부의 직류 전압 추종값에 대응하여 출력되는 전압을 제어하는 전압 차단부를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 최대전력점추종 컨버터는, 상기 충전부의 배터리 잔량을 검출하여 표시하는 표시부를 더 포함하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 전압 차단부는 상기 전압 감지부에서 출력되는 전압이 기 설정된 기준 값 이상이면 전압을 차단하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 부스트 컨버터는 상기 최대전력점추종 컨버터에서 출력되는 소정값의 전압을 36 V로 증폭하여 출력하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 태양 전지는 소정 수가 병렬로 연결되도록 마련하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 제어부는 상기 펄스 폭 변조 신호에 따라 모터를 구동하는 모터 구동부와; 상기 모터 구동부의 구동 전류값을 검출하는 전류 측정부와, 상기 전류 측정부에서 검출된 구동 전류값을 기준값과 비교하여 구동 전류를 제어하는 전류 제어부를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
이상의 설명에서와 같이, 본 발명의 태양 전지를 이용한 전기자전거에 따르면 최대전력점추종 컨버터를 이용하여 태양 전지의 출력 전압을 최대 전력동작점에 추종하도록 하여 충전함으로써 안정적으로 전기자전거에 전력을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 태양전지를 이용한 전기자전거의 외부 구조를 보여주는 도면.
도 2는 본 발명에 따른 태양전지를 이용한 전기자전거의 구성을 개략적으로 도시한 도면.
도 3은 상기 도 2의 최대전력점추종 컨버터의 구성을 개략적으로 도시한 도면.
도 4는 상기 도 2의 제어부의 구성을 개략적으로 도시한 도면.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 구성 요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하 본 발명의 일 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 태양전지를 이용한 전기자전거의 외부 구조를 보여주는 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 태양전지를 이용한 전기자전거의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
상기 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 태양전지를 이용하여 모터를 구동하는 전기 자전거에 있어서, 태양광을 입력받아 전기 에너지로 전환하는 태양 전지(210)와; 상기 태양 전지(210)에서 전환된 전기 에너지의 변화를 감지하여 그에 대응하는 전압의 추종값을 제어하여 출력하는 최대 전력점 추종 (MPPT:Maximum Power Point Tracking) 컨버터(220)와; 상기 최대전력점추종 컨버터(220)에서 출력되는 전압을 증폭하는 부스트 컨버터(230)와; 상기 부스트 컨버터(230)에서 증폭된 전압을 충전하는 충전부(250)와; 상기 충전부(250)에서 충전된 전압으로 상기 전기자전거의 휠을 회전시키는 구동 모터(250)와; 상기 구동 모터를 펄스 폭 변조(PWM:Pulse Width Modulation) 신호에 따라 구동 전류를 조절하여 속도를 제어하는 제어부(240)를 포함한다.
상기 태양 전지(210)는 소정 수가 병렬로 연결되도록 마련하여 전류값을 높이게 된다. 더욱 상세하게는, 상기 부스트 컨버터(230)에 의해 전압이 증폭될 경우 전류값이 감쇠하게 되는데 이때 감쇠된 전류값을 보상하기 위해 태양 전지를 여러 개 병렬로 연결한다. 즉, 감쇠된 전류값에 따라 병렬로 배치되는 태양 전지의 수를 결정할 수 있다. 또한, 상기 태양 전지(210)는 전기자전거에 장착되는 어레이 면적이 넓게 형성되도록 배치하는 것이 바람직하다.
상기 최대전력점추종 컨버터(220)는 상기 태양전지(210)의 불안정한 전력 공급을 비교적 안정된 전력 공급을 제공하도록 하는 것으로, 태양전지(210)를 보게 되면 전압과 전류가 시시각각 바뀌는 불안정한 전력 공급 장치이다.
도 3는 상기 도 2의 최대전력점추종 컨버터의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 최대전력점추종 컨버터(220)는 상기 태양 전지(210)로부터 출력되는 직류 전압을 기준 전압과 비교하여 직류 전압 추종값을 감지하는 전압 감지부(221)와; 상기 전압 감지부(221)의 직류 전압 추종값에 대응하여 출력되는 전압을 제어하는 전압 차단부(222)와, 상기 충전부(250)의 배터리 잔량을 검출하여 표시하는 표시부(223)를 포함한다.
상기 전압 감지부(221)는 태양전지의 출력전압을 주기적으로 증가 또는 감소시키고 이전의 출력전력과 현재의 출력전력을 비교하여 최대 전력 동작점을 찾게 된다.
보다 상세하게는, 온도나 일사량을 입력하여 가변시켜 최대 전력 동작점을 찾게 된다. 예를 들어 온도 보상의 경우(일사량이 일정하다고 가정하면) 상온에서의 최대 전력 동작점에 부하를 맞추어 놓고 온도가 변화하는 양에 비례하여 제어한다. 여기서, 비례상수는 미리 측정된 데이터를 참조한다.
또한, 일사량이 변화하는 경우(온도는 일정하다고 가정)는 일사량 측정을 위한 센서(CdS등), 혹은 같은 종류의 태양전지 어레이를 설치하고 오픈 회로(Open Circuit)상태의 전압을 입력하고 온도보상과 마찬가지로 비례상수를 설정하여 제어한다.
상기 전압 차단부(222)는 상기 전압 감지부(221)에서 출력되는 전압이 기 설정된 기준 값 이상이면 전압을 차단한다. 즉, 상기 전압 차단부(222)는 급격한 전압 변화로 인해 과부하가 발생되는 것을 차단하기 위한 것이다.
상기 부스트 컨버터(230)는 상기 최대전력점추종 컨버터(220)에서 출력되는 소정값의 전압을 36 V로 증폭하여 출력한다. 보다 상세하게는, 상기 부스트 컨버터(230)는 DC-DC 승압을 위한 것으로 이는 역기전력에 의해 전압이 상승하게 된다. 여기서, 역기전력은 도선에 전류가 흐르다가 갑자기 전류가 차단되면 직류전류가 흐르는 방향과 반대로 전류가 흐르는 현상을 의미하고, 이때 직류가 순간적으로 교류의 성질을 나타내게 되어 순간적으로 전압이 올라가게 되는데 전압이 올라가는 타이밍만을 취해서 계속 출력하면 지속하게 됩니다. 여기서, 순간적으로 전압이 올라가도록 스위칭 역할을 하는 MOSFET 등이 적용될 수 있다.
도 4는 상기 도 2의 제어부의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제어부(240)는 상기 펄스 폭 변조 신호에 따라 모터를 구동하는 모터 구동부(241)와; 상기 모터 구동부(241)의 구동 전류값을 검출하는 전류 측정부(242)와, 상기 전류 측정부(242)에서 검출된 구동 전류값을 기준값과 비교하여 구동 전류를 제어하는 전류 제어부(243)를 포함한다.
상기 모터 구동부(241)는 상기 전류 제어부(243)에서 펄스 폭 변조 신호가 입력되면 그에 따라 구동 모터(260)에 전류를 인가하게 된다.
상기 전류 측정부(242)는 구동 모터(260)에 사용되는 전류를 측정하여 상기 전류 제어부(243)에 전송한다.
상기 전류 제어부(243)는 전류 제한 기준치 등의 전류 제어신호를 출력한다. 즉, 전류 제어 신호는 가변되는 것으로서, 목적 회전속도 또는 출력에 대응되는 값이다. 여기서, 상기 전류제한 기준치와 상기 전류 측정부(242)에서 측정된 전류 측정치에 따라 일정한 주기(T)와 진폭을 가지는 펄스 폭 변조 신호를 발생하여 출력한다.
상기 충전부(250)는 상기 부스트 컨버터(230)에서 승압된 전압을 받아 충전하게 된다.
상기 구동 모터(260)는 상기 전기자전거 휠(270)을 회전시켜 구동하게 된다.
한편, 상기 구동 모터(260)에 의해 전기자전거 휠(270)을 구동하는 것을 수동 또는 자동 모드 선택에 의해 구동될 수 있으며, 수동 모드일 경우 페달에 의해 전기자전거 휠은 움직이게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라, 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
삭제
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
210 --- 태양 전지 220 --- 최대전력점추종 컨버터
221 --- 전압 감지부 222 --- 전압 차단부
223 --- 표시부 230 --- 부스트 컨버터
240 --- 제어부 241 --- 모터 구동부
242 --- 전류 측정부 243 --- 전류 제어부
250 --- 충전부 260 --- 구동 모터
270 --- 전기자전거 휠

Claims (7)

  1. 태양전지를 이용하여 모터를 구동하는 전기 자전거에 있어서,
    태양광을 입력받아 전기 에너지로 전환하는 태양 전지(210)와;
    상기 태양 전지(210)에서 전환된 전기 에너지의 변화를 감지하여 그에 대응하는 전압의 추종값을 제어하여 출력하는 최대전력점추종(MPPT:Maximum Power Point Tracking) 컨버터(220)와;
    상기 최대전력점추종 컨버터(220)에서 출력되는 전압을 증폭하는 부스트 컨버터(230)와;
    상기 부스트 컨버터(230)에서 증폭된 전압을 충전하는 충전부(250)와;
    상기 충전부(250)에서 충전된 전압으로 상기 전기자전거의 휠을 회전시키는 구동 모터(260)와;
    상기 구동 모터(260)를 펄스 폭 변조(PWM:Pulse Width Modulation) 신호에 따라 구동 전류를 조절하여 속도를 제어하는 제어부(240)를 포함하고,
    상기 부스트 컨버터(230)는 상기 최대전력점추종 컨버터(220)에서 출력되는 소정값의 전압을 36 V로 증폭하여 출력하고, 상기 태양 전지(210)는 소정 수가 병렬로 연결되도록 마련하는 것을 특징으로 하는 태양 전지를 이용한 전기자전거.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 최대전력점추종 컨버터(220)는
    상기 태양 전지(210)로부터 출력되는 직류 전압을 기준 전압과 비교하여 직류 전압 추종값을 감지하는 전압 감지부(221)와;
    상기 전압 감지부(221)의 직류 전압 추종값에 대응하여 출력되는 전압을 제어하는 전압 차단부(222)를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지를 이용한 전기자전거.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 최대전력점추종 컨버터(220)는,
    상기 충전부(250)의 배터리 잔량을 검출하여 표시하는 표시부(223)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지를 이용한 전기자전거.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 전압 차단부(222)는 상기 전압 감지부(221)에서 출력되는 전압이 기 설정된 기준 값 이상이면 전압을 차단하는 것을 특징으로 하는 태양 전지를 이용한 전기자전거.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부(240)는
    상기 펄스 폭 변조 신호에 따라 모터를 구동하는 모터 구동부(241)와;
    상기 모터 구동부의 구동 전류값을 검출하는 전류 측정부(242)와;
    상기 전류 측정부(242)에서 검출된 구동 전류값을 기준값과 비교하여 구동 전류를 제어하는 전류 제어부(243)를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지를 이용한 전기자전거.
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