KR101229650B1 - 차량의 서스펜션을 이용한 전력변환장치 - Google Patents

차량의 서스펜션을 이용한 전력변환장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 발전기측의 출력전압과 전력변환 후의 출력전압을 이용하여 출력전류를 구하고, 이 출력전류를 바탕으로 승압기의 발진주파수를 제어하여 발전기에서 생성된 전력을 최대한 많은 전력변환이 가능하도록 한 차량의 서스펜션을 이용한 전력변환장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
특히, 본 발명은 동기정류 방식을 채택하여 불필요한 스위칭 동작을 최소화하여 전력변환 효율을 더욱 더 향상시킬 수 있도록 한 차량의 서스펜션을 이용한 전력변환장치를 제공하는데 다른 목적이 있다.
그리고, 본 발명은 수퍼 커패시터를 구성하고, 특히 배터리와 수퍼 커패시터 사이에 스위칭 소자를 두어 돌입전류(Inrush Current) 현상을 방지함으로써, 발전된 전력을 안정적으로 충전하여 사용할 수 있게 한 차량의 서스펜션을 이용한 전력변환장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

Description

차량의 서스펜션을 이용한 전력변환장치{POWER CONVERTING APPARATUS USING SUSPENSION OF VEHICLE}
본 발명은 차량의 서스펜션을 이용한 전력변환장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 서스펜션으로부터 발생된 발전기의 출력전압과 전력변환후의 출력전압으로부터 출력전류를 구하고, 이 출력전류를 바탕으로 발진주파수를 제어하여 발전기에서 발생된 에너지를 최대한 많은 전력으로 변환시켜 사용할 수 있게 한 차량의 서스펜션을 이용한 전력변환장치에 관한 것이다.
최근 들어 차량의 서스펜션 등에 발전기를 장착하고, 이 발전기로부터 생성된 에너지를 차량에서 요구되는 전장장치나 배터리의 충전용으로 사용하고자 하는 연구가 많이 시도되고 있다.
도 1은 이러한 종래의 발전장치에 사용되는 전력변환 제어회로도를 나타내는 도면이다. 이러한 종래의 전력변환 제어회로는, 발전기로부터 입력된 입력전압(Vin)을 승압기(T)로 승압시킨 다음, 전력변환컨트롤러(SR: SR controller)로 출력전압(Vout)을 제어하여 전력변환이 이루어지게 구성되어 있다.
이때, 승압기(T)의 2차측은 동기 정류 방식(Synchronous Rectification)의 컨트롤러에 의해 게이트(Q2)의 신호를 제어하여 부하가 큰 조건이 되면 이 게이트(Q2)를 온(On)시켜 정류효율을 높여주게 된다.
하지만, 이러한 종래의 전력변환 제어회로는 단순히 입력측과 출력측의 전압만으로 제어하기 때문에 입력측으로 공급되는 발전기의 전력을 최대한의 전력으로 변환시키는데 어려움이 있었다. 이에, 배터리에 충전하는 경우와 같이, 출력전압을 능동적으로 상승시켜 주기 위한 회로라든가 과충전을 방지하기 위한 회로 등을 필요로 하였다.
이에 종래의 발전장치는 전력변환 효율이 저하될 뿐만 아니라 장치 자체가 복잡하게 구성되게 되어 이에 대한 개선이 필요하게 되었다.
본 발명은 이러한 점을 감안하여 안출한 것으로, 발전기측의 출력전압과 전력변환 후의 출력전압을 이용하여 출력전류를 구하고, 이 출력전류를 바탕으로 승압기의 발진주파수를 제어하여 발전기에서 생성된 전력을 최대한 많은 전력변환이 가능하도록 한 차량의 서스펜션을 이용한 전력변환장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
특히, 본 발명은 동기정류 방식을 채택하여 불필요한 스위칭 동작을 최소화하여 전력변환 효율을 더욱 더 향상시킬 수 있도록 한 차량의 서스펜션을 이용한 전력변환장치를 제공하는데 다른 목적이 있다.
그리고, 본 발명은 수퍼 커패시터를 구성하고, 특히 배터리와 수퍼 커패시터 사이에 스위칭 소자를 두어 돌입전류(Inrush Current) 현상을 방지함으로써, 발전된 전력을 안정적으로 충전하여 사용할 수 있게 한 차량의 서스펜션을 이용한 전력변환장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 차량의 서스펜션을 이용한 전력변환장치는, 서스펜션을 이용한 전력변환장치에 있어서, 적어도 하나의 서스펜션에 설치된 발전기로부터 얻은 전원을 정류시켜 주는 3상정류브릿지; 정류된 전원을 승압시켜 주기 위한 승압기; 승압되는 전원의 세기를 제어하기 위한 전력변환컨트롤러; 수학식
Figure 112011086116457-pat00001
으로부터 출력전류를 구하고, 이 출력전류로 전력변환컨트롤러를 동기정류 제어하는 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 여기서, Iout은 전력변환컨트롤러로부터 제어기로 출력되는 전류의 세기를, Vin은 3상정류브릿지로부터 검출된 전압의 세기를, Ig는 발전기의 설계단계에서 미리 설정되는 상수값을, Vout은 상기 전력변환컨트롤러의 출력전압을 각각 나타낸다.
특히, 전력변환컨트롤러는, SR(synchronous rectification) 컨트롤러인 것을 특징으로 한다.
또한, 전력변환컨트롤러를 통해 전원을 인가받아 배터리를 충전시켜 주기 위한 수퍼 커패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 수퍼 커패시터는 제어기의 제어에 의하여 스위칭 소자에 의해 배터리와 미리 정해진 전압의 범위 안에 있을 때에만 이 배터리로 충전이 이루어지도록 구성된 것을 특징으로 한다.
그리고, 제어기에는 배터리에 과충전이 되지 않도록 과충전방지회로가 프로그램되어 있는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명에 따른 차량의 서스펜션을 이용한 전력변환장치는, 각 타이어의 서스펜션에 각각 하나씩 설치된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 차량의 서스펜션을 이용한 전력변환장치에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
1) 구조가 간단하면서도 출력전류로 전력변환을 제어하기 때문에 발전기의 출력전력을 최대한 활용하여 전력변환이 이루어지게 된다.
2) 이러한 전력변환은 동기정류 방식으로 불필요한 스위칭 동작을 최소화함으로써, 전력변환 효율을 더욱 더 향상시켜 주게 된다.
3) 배터리에 충전시 이 배터리와 수퍼 커패시터 사이에 스위칭 소자를 두어 돌입전류(Inrush Current) 현상을 방지함으로써, 발전된 전력을 안정적으로 충전할 수 있게 된다.
4) 차량의 서스펜션이 장착되는 개소에 각각 설치함으로써, 출력전력을 더욱 높일 수 있게 된다.
도 1은 종래의 발전장치의 구성을 설명하기 위하여 개략적으로 도시한 회로도.
도 2는 본 발명에 따른 전력변환장치의 구성을 개략적으로 보여주기 위한 블럭도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
(구성)
도 2는 본 발명에 따른 전력변환장치의 구성을 개략적으로 보여주기 위한 블럭도이다. 여기서, 도면부호 "S"는 차량 등에서 사용되는 서스펜션을, "G"는 이 서스펜션에 장착되어 서스펜션이 동작함에 따라 전원을 발생시켜 주는 발전기를 나타낸다.
본 발명에 따른 전력변환장치는, 교류를 직류로 정류시켜 주기 위한 3상정류브릿지(10), 정류된 직류를 승압시켜 주기 위한 승압기(20), 출력전압을 제어하기 위한 전력변환컨트롤러(30), 그리고 이들을 제어하기 위한 제어기(40)를 포함한다.
특히, 제어기(40)는 수학식
Figure 112011086116457-pat00002
에 의해 출력전류를 계산하고, 이를 바탕으로 전력변환컨트롤러(30)를 제어하여 최대 전력변환이 이루어지도록 한 것이다.
이하, 이러한 구성에 대하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
3상정류브릿지(10)는 발전기(G)로부터 발생된 전원을 정류시켜 주기 위한 일종의 정류기이다. 이러한 3상정류브릿지(10)는 3상정류의 특성상 전압차를 줄여주게 된다.
즉, 서스펜션(S)은 주행도로의 표면 상태나 장애물 등에 따라 작동각이 달라진다. 이로 인하여 발전기(G)에서는 출력 전압이 일정하지 않게 되는데, 3상정류브릿지(10)는 이처럼 출력전압이 일정하지 않은 경우에도 거의 일정한 전압으로 정류시켜 주게 되는 것이다.
승압기(20)는 정류된 전원을 적절한 세기로 승압시켜 주게 된다. 특히, 승압기(20)로부터 승압된 출력전압(Vout)의 세기는 후술하게 될 제어기(40)로 출력되어 출력전류를 계산하는데 이용된다.
전력변환컨트롤러(30)는 승압기(20)의 2차측에 연결되며 출력전류의 세기에 따라 승압기(20)로부터 적절한 출력전력이 제어되게 한다. 이러한 전력변환컨트롤러(30)로는 동기정류 방식(synchronous rectification)의 SR 컨트롤러를 이용하는 것이 바람직하다. 이러한 전력변환컨트롤러(30)는 제어기(40)에서 산출한 출력전류에 의해 게이트 신호로서 동기정류되게 된다. 이러한 출력전류에 대해서는 제어기(40)와 함께 설명하기로 한다.
제어기(40)는 상기 승압기(20)의 출력과 전력변환컨트롤러(30)의 출력으로부터 출력전류를 계산하고, 이 출력전류를 바탕으로 전력변환컨트롤러(30)를 동기정류방식으로 제어하여 최대 전력을 출력할 수 있게 한다.
이때, 출력전류(Iout)는, 다음의 [수학식 1]에 의해 계산된다.
Figure 112011086116457-pat00003
여기서, Iout은 전력변환컨트롤러(30)로부터 제어기(40)로 출력되는 전류의 세기를, Vin은 3상정류브릿지(10)로부터 검출된 전압의 세기를, Ig는 발전기의 설계단계에서 출력 전력 등을 고려하여 미리 설정되는 상수값을, Vout은 상기 전력변환컨트롤러(30)의 출력전압을 각각 나타낸다.
이처럼 계산된 출력전류는 전력변환컨트롤러(30)의 동기정류시의 제어회로로 사용되게 되는데, 이 전력변환컨트롤러(30)가 SR컨트롤러인 경우 2차측의 PWM 게이트에 필요한 발진신호를 생성하는데 이용된다.
따라서, 제어기(40)는 승압기(20)에서 출력된 출력전압이 전력변환컨트롤러(30)의 제어를 통해 충전 등에 필요한 가장 적합한 전압으로 출력되도록 제어할 수 있게 되는 것이다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 제어기(40)에는 배터리(B)에 과충전이 이루어지지 않도록 하기 위하여 과충전방지회로가 더 구비된다. 특히, 이 과충전방지회로는 제어기(40)에 내장되는 칩이나 CPU 등에 프로그래밍하여 회로를 구성함으로써, 소프트웨어적으로 구성하여 별도의 하드웨어가 없이 구조가 간단하면서도 배터리(B)의 과충전방지 효과를 얻을 수 있게 하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 전력변환장치는, 출력전압을 안정적으로 배터리(B)에 저장할 수 있도록 하기 위하여 수퍼 커패시터(50)를 더 구성할 수 있다. 특히, 수퍼 커패시터(50)는 공급받은 전력을 안정적으로 배터리(B)에 충전시킬 수 있게 해 주기 위하여 스위칭 소자(51)에 의해 동작하도록 구성된다.
상기 스위칭 소자(51)는 제어기(40)의 제어에 의해 동작하게 된다. 제어기(40)는 수퍼 커패시터(50)와 배터리(B)로부터 전압을 검출하고, 이들 검출값이 소정의 범위에 있을 때에만 충전이 이루어지게 한다. 이는, 수퍼 커패시터(50)와 배터리(B) 사이의 전압차가 너무 크게 되면 배터리의 충전이 안된다든가 기기들의 파손이나 오작동을 일으키는 돌입전류(Inrush Current) 현상을 방지하기 위함이다.
또한, 본 발명에 따른 전력변환장치는, 하나의 서스펜션(S)에 장착된 것으로 설명하고 있으나, 차량이 각 타이어에 각각 설치하여 전력변환을 유도할 수 있게 할 수도 있슴은 당업자라면 쉽게 알 수 있을 것이다.
이상에서 본 바와 같이 본 발명은 동기정류 방식을 통하여 출력측의 전압으로부터 출력전류를 계산하고, 이 출력전류를 동기정류방식의 게이트 신호로 이용하여 전력변환이 이루어지게 함으로써, 전력변환장치의 안정화로 차량의 연비개선 효과와 함께 최적의 전력변환 효과를 얻을 수 있게 되는 것이다.
10 : 3상정류브릿지
20 : 승압기
30 : 전력변환컨트롤러
40 : 제어기
50 : 수퍼 커패시터

Claims (6)

  1. 서스펜션을 이용한 전력변환장치에 있어서,
    적어도 하나의 서스펜션에 설치된 발전기(G)로부터 얻은 전원을 정류시켜 주는 3상정류브릿지(10);
    정류된 전원을 승압시켜 주기 위한 승압기(20);
    승압되는 전원의 세기를 제어하기 위한 전력변환컨트롤러(30); 및
    아래의 [수학식 2]로부터 출력전류를 구하고, 이 출력전류로 전력변환컨트롤러(30)를 동기정류 제어하는 제어기(40);를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 서스펜션을 이용한 전력변환장치.
    [수학식 2]
    Figure 112011086116457-pat00004

    (여기서, Iout은 전력변환컨트롤러(30)로부터 제어기(40)로 출력되는 전류의 세기를, Vin은 3상정류브릿지(10)로부터 검출된 전압의 세기를, Ig는 발전기의 설계단계에서 미리 설정되는 상수값을, Vout은 상기 전력변환컨트롤러(30)의 출력전압을 각각 나타낸다.)
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력변환컨트롤러(30)는, SR(synchronous rectification) 컨트롤러인 것을 특징으로 하는 차량의 서스펜션을 이용한 전력변환장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력변환컨트롤러(30)를 통해 전원을 인가받아 배터리(B)를 충전시켜 주기 위한 수퍼 커패시터(50)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 서스펜션을 이용한 전력변환장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 수퍼 커패시터(50)는 제어기(40)의 제어에 의하여 스위칭 소자(51)에 의해 배터리(B)와 미리 정해진 전압의 범위 안에 있을 때에만 이 배터리(B)로 충전이 이루어지도록 구성된 것을 특징으로 하는 차량의 서스펜션을 이용한 전력변환장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기(40)에는 배터리(B)에 과충전이 되지 않도록 과충전방지회로가 프로그램되어 있는 것을 특징으로 하는 차량의 서스펜션을 이용한 전력변환장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전력변환장치는 각 타이어의 서스펜션에 각각 하나씩 설치된 것을 특징으로 하는 차량의 서스펜션을 이용한 전력변환장치.
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