KR101550312B1 - 슈퍼 캐패시터를 사용하는 자동차 시스템 - Google Patents

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Abstract

자동차 시스템은 연료부, 충전부 및 구동부를 포함하고 상기 연료부는 급속충전이 가능한 슈퍼 캐패시터를 포함한다. 상기 연료부는 자동차 트렁크 하부에 형성되어 연료와 전기에너지를 저장 및 공급하고, 상기 충전부는 자동차 상단에 형성되어 전기에너지를 상기 연료부에 공급하며, 상기 구동부는 자동차의 본넷(bonnet) 하부에 형성되어 상기 연료와 전기에너지를 사용해서 구동력을 발생시킨다.

Description

슈퍼 캐패시터를 사용하는 자동차 시스템{AUTOMOBILE SYSTEM WITH SUPER CAPACITOR}
본 발명은 자동차 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 슈퍼 캐패시터를 사용하는 자동차 시스템에 관한 것이다.
최근에는 기름값이 오르고, 차량의 유지비에 대한 관심이 높아지는 가운데, 하이브리드 자동차가 연구되고 시중에 판매되고 있다.
하이브리드 자동차란, 기존의 가솔린 엔진과 전기 모터를 병행하여 사용하는 자동차를 말하며, 기존의 가솔린 엔진이 비효율적인 주행환경일 경우 모터의 충전 및 방전을 통해(Load leveling), 차량의 주행 감속 시 브레이크에서 마찰열로 방출되는 운동에너지로 모터를 역회전 시켜 전기를 생산(회생제동)하여 배터리에 충전함으로써 연비를 향상시킬 수 있게 되었다.
기존의 배터리는 충전하는데 시간이 걸리고, 수명에 제한이 있다. 하지만 슈퍼 캐패시터는 축전용량이 대단히 큰 캐패시터로 울트라 캐패시터 또는 초고용량 캐패시터라고도 하며, 화학반응을 이용하는 배터리와 달리 전극과 전해질 계면으로의 단순한 이온의 이동이나 표면화학반응에 의한 충전현상을 나타내며, 이는 대용량의 전기를 빠르게 저장하고 꺼내어 사용할 수 있고, 2차전지보다 100배 이상의 고출력이며 반영구적으로 사용이 가능하다.
따라서, 휴대전화, 디지털카메라, 스트로보, 하이브리드 자동차 등 응용분야가 다양하고, 석유를 대체해 이산화탄소 배출이 없는 친환경 청정 대체에너지인 태양광, 풍력, 수소연료전지 등의 신재생에너지의 저장장치로 적합하기 때문에, 이에 대한 연구개발이 지속적으로 필요하다.
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 슈퍼 캐패시터를 사용하여 연료비를 절감하는 자동차 시스템을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 자동차 시스템은 연료부, 충전부 및 구동부를 포함하고 상기 연료부는 급속충전이 가능한 슈퍼 캐패시터를 포함한다. 상기 연료부는 자동차 트렁크 하부에 형성되어 연료와 전기에너지를 저장 및 공급하고, 상기 충전부는 자동차 상단에 형성되어 전기에너지를 상기 연료부에 공급하며, 상기 구동부는 자동차의 본넷(bonnet) 하부에 형성되어 상기 연료와 전기에너지를 사용해서 구동력을 발생시킨다.
일 실시예에서, 상기 슈퍼 캐패시터는 플러그 및 어댑터를 포함하며, 상기 플러그는 외부의 전원과 연결되고, 상기 어댑터는 상기 플러그에서 전기를 일정한 전류로 바꾸어 주는 어댑터를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 충전부는 태양전지 및 염료감응형 태양전지를 포함하고, 상기 태양전지는 자동차의 상부에 부착되어 태양빛을 받아 전기로 전환시키고, 상기 염료감응형 태양전지는 자동차의 유리창에 형성되어 태양빛을 받아 전기로 전환시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 구동부는 엔진 및 전기모터를 포함하고, 상기 엔진은 가솔린이나 경유 또는 천연가스를 연료로 구동하고, 상기 전기모터는 전기에너지로 구동할 수 있다.
일 실시예에서, 자동차가 제동할 경우 구동하고 있는 상기 엔진을 상기 전기모터와 연결하여 상기 전기모터를 구동시키는 힘으로 상기 슈퍼 캐패시터를 충전할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 엔진에서 발생되는 구동력과 상기 전기모터에서 발생되는 구동력을 동시에 자동차의 휠에 전달할 수 있다.
본 발명에 따르면, 자동차 시스템은 높은 토크와 스피드를 제공할 수 있는 엔진과 함께 조용하고 섬세한 주행이 가능한 전기모터를 동시에 사용하거나 각각 따로 사용하여, 환경에 맞는 주행을 할 수 있다.
또한, 충전부와 회생제동 및 엔진을 통한 충전을 통해 주행 중이나 주차 중 및 공회전과 같이 상시 충전할 수 있는 기능들이 있고, 슈퍼 캐패시터의 급속 충방전의 기능과 더해져서 따로 충전해야 하는 불편함이 줄어들게 된다.
도 1은 의한 종래의 하이브리드 자동차의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 자동차 시스템의 구조를 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의해, 엔진의 힘에 슈퍼 캐패시터의 에너지로 구동하는 전기모터의 힘이 엔진의 힘과 함께 휠에 전달되는 에너지의 흐름을 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 의해, 엔진의 힘으로 전기모터를 구동하여 슈퍼 캐패시터를 충전하는 에너지의 흐름을 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 의해, 태양전지의 에너지로 슈퍼 캐패시터를 충전하는 에너지의 흐름을 나타내는 사시도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 의해, 자동차가 제동을 하기 위해 필요한 에너지를 사용하여 슈퍼 캐패시터를 충전하는 에너지의 흐름을 나타내는 사시도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 의해, 자동차가 낮은 속도로 구동되거나 공회전시에 슈퍼 캐패시터의 에너지로 전기모터를 구동시키는 에너지의 흐름을 나타내는 사시도이다.
도 8은 도 2 내지 도 7의 실시예에서의, 슈퍼 캐패시터의 구조를 나타내는 사시도이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 전기자극발생장치에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 의한 종래의 하이브리드 자동차의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 1을 참조하면, 상기 하이브리드 자동차(10)는 연료통(11), 배터리(12), 엔진(13), 전기모터(14) 및 휠(15)을 포함한다.
상기 하이브리드 자동차(10)는 주 연료가 경유나 가솔린이며 상기 연료를 사용해 상기 엔진(13)을 작동하여, 상기 하이브리드 자동차(10)가 구동하게 된다. 이때 상기 배터리(12)는 상기 엔진(13)이 공회전을 할때나 상기 휠(15)이 구동할 때 충전이 된다.
상기 전기모터(14)는 상기 하이브리드 자동차(10)가 저속주행을 하거나 출발할 때 그리고 언덕을 위한 토크가 필요할 때 구동력을 상기 엔진(13)의 구동력에 더하여 토크의 상승을 제공하게 된다.
상기 하이브리드 자동차(10)의 경우 상기 배터리(12)의 충전하는데 긴 시간이 필요하게 되며, 상기 엔진(13)의 구동만으로는 단시간 내에 상기 배터리(12)를 충전시키기 어려운 단점이 있다.
하지만 상기 배터리(12)를 대신하여 슈퍼 캐패시터를 사용하게 되면, 급속 충방전이 가능하게 되고, 반영구적인 사이클 수명 특성으로 사용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 자동차 시스템의 구조를 나타내는 사시도이다.
도 2를 참조하면, 상기 자동차 시스템(20)은 연료부(21), 충전부(22) 및 구동부(23)를 포함하고, 상기 연료부(21)는 슈퍼 캐패시터(21a), 어댑터(21b), 플러그(21c) 및 연료통(21d)을 포함한다.
상기 충전부(22)는 태양전지(22a) 및 염료감응형 태양전지(22b)를 포함하고, 상기 구동부(23)는 전기모터(23a)와 엔진(23b)을 포함한다.
상기 슈퍼 캐패시터(21a)는 상기 자동차 시스템(20)의 뒷편 트렁크 하단에 형성되어 있으며, 상기 슈퍼 캐패시터(21a)의 하단에는 상기 연료통(21d)이 형성되어 있다. 상기 슈퍼 캐패시터(21a)는 상기 어댑터(21b)를 통해서 상기 플러그(21c)와 연결된다. 상기 플러그(21c)를 220V 콘센트에 꽂아 상기 슈퍼 캐패시터(21a)를 충전시키며, 충전시간은 기존의 배터리의 충전속도보다 빠른 장점이 있다.
상기 태양전지(22a)는 자동차의 상부에 형성되어 있으며, 상기 슈퍼 캐패시터(21a)와 연결되어 낮에 자동차를 구동할 때 빛을 받아들여 상기 슈퍼 캐패시터(21a)를 충전하게 된다. 상기 슈퍼 캐패시터(21a)는 기존의 배터리와는 달리 충전속도가 빠르기 때문에 상기 태양전지(22a)의 전력만으로도 상시 상기 슈퍼 캐패시터(21a)의 충전을 가능하게 한다.
또한 상기 염료감응형 태양전지(22b)를 상기 자동차의 유리창으로 사용하게 되면, 주행중에도 상기 태양전지(22a)와 함께 상기 슈퍼 캐패시터(21a)의 충전이 가능한 장점이 있다.
상기 전기모터(23a)는 상기 자동차의 본넷(bonnet) 하부 좌측에 형성되어 있으며, 상기 엔진(23b)은 상기 전기모터(23a)의 우측에 형성되어 있다. 상기 전기모터(23a)는 상기 슈퍼 캐패시터(21a)와 연결되어 있어, 상기 슈퍼 캐패시터(21a)의 에너지 만으로 구동이 가능하며, 상기 엔진(23b)은 상기 연료통(21d)과 연결되어 있어, 상기 연료통(21d)의 내부의 가솔린이나 경유를 공급받을 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 도 1의 상기 기존 하이브리드 자동차(10)의 구조와는 달리 본 출원발명의 자동차 시스템(20)은 상기 배터리(12)와 달리 상기 슈퍼 캐패시터(21a)를 사용하여 급속한 충방전이 가능하고, 높은 충방전 효율 및 반영구적인 사이클 수명 특성을 가지고 있다. 또한 상기 충전부(22)가 형성되어 있어 따로 충전소를 찾아야 하는 불편함이 줄어들게 된다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의해, 엔진의 힘에 슈퍼 캐패시터의 에너지로 구동하는 전기모터의 힘이 엔진의 힘과 함께 휠에 전달되는 에너지의 흐름을 나타내는 사시도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 의한 상기 자동차 시스템(20)은 도 2를 참조하여 설명한 상기 자동차 시스템(20)과 실질적으로 동일하므로, 동일한 참조번호를 사용하고, 중복되는 설명은 이를 생략한다.
상기 자동차 시스템(20)은 상기 엔진(23b)의 힘으로 상기 자동차를 구동시킬 수 있고, 더 높은 토크를 위해 상기 슈퍼 캐패시터(21a)의 에너지를 통해 상기 전기모터(23a)를 작동시켜 상기 자동차의 토크와 스피드 향상에 필요한 힘을 제공할 수 있다.
따라서, 상기 전기모터(23a)는 상기 엔진(23b)과 동시에 작동하여 상기 자동차의 주행을 위한 구동력을 제공할 수 있으며, 더 빠른 속도와 토크를 증가시키기 위해 사용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 의해, 엔진의 힘으로 전기모터를 구동하여 슈퍼 캐패시터를 충전하는 에너지의 흐름을 나타내는 사시도이다.
본 실시예에 의한 상기 자동차 시스템(20)은 도 2를 참조하여 설명한 상기 자동차 시스템(20)과 실질적으로 동일하므로, 동일한 참조번호를 사용하고, 중복되는 설명은 이를 생략한다.
상기 엔진(23b)이 작동하여 상기 자동차가 주행하는 경우나 상기 자동차가 멈추어서 공회전을 하고 있는 경우, 상기 엔진(23b)은 상기 전기모터(23a)를 구동시켜 상기 슈퍼 캐패시터(21a)를 충전할 수 있다.
따라서, 상기 슈퍼 캐패시터(21a)의 충전량이 낮을 경우, 상기 엔진(23b)의 구동력의 일부를 상기 전기모터(23a)를 구동하는데 사용함으로써, 상기 슈퍼 캐패시터(21a)를 충전할 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 의해, 태양전지의 에너지로 슈퍼 캐패시터를 충전하는 에너지의 흐름을 나타내는 사시도이다.
본 실시예에 의한 상기 자동차 시스템(20)은 도 2를 참조하여 설명한 상기 자동차 시스템(20)과 실질적으로 동일하므로, 동일한 참조번호를 사용하고, 중복되는 설명은 이를 생략한다.
도 5를 참조하면, 상기 태양전지(22a)는 자동차의 상부에 형성되어 있으며, 상기 슈퍼 캐패시터(21a)와 연결되어 낮에 자동차를 구동할 때 빛을 받아들여 상기 슈퍼 캐패시터(21a)를 충전하게 된다. 상기 슈퍼 캐패시터(21a)는 기존의 배터리와는 달리 충전속도가 빠르기 때문에 상기 태양전지(22a)의 전력만으로도 상시 상기 슈퍼 캐패시터(21a)의 충전을 가능하게 한다.
또한 상기 염료감응형 태양전지(22b)를 상기 자동차의 유리창으로 사용하게 되면, 주행 중에도 상기 태양전지(22a)와 함께 상기 슈퍼 캐패시터(21a)의 충전이 가능한 장점이 있다.
따라서, 상기 충전부(22)는 낮에 태양빛을 받는 환경에서는 상기 구동부(23)의 구동에 상관없이 상시 상기 슈퍼 캐패시터(21a)의 충전이 가능하다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 의해, 자동차가 제동을 하기 위해 필요한 에너지를 사용하여 슈퍼 캐패시터를 충전하는 에너지의 흐름을 나타내는 사시도이다.
본 실시예에 의한 상기 자동차 시스템(20)은 도 2를 참조하여 설명한 상기 자동차 시스템(20)과 실질적으로 동일하므로, 동일한 참조번호를 사용하고, 중복되는 설명은 이를 생략한다.
도 6을 참조하면, 상기 자동차를 제동하는 과정에서 상기 슈퍼 캐패시터(21a)를 충전시킬 에너지를 생성할 수 있다. 이는 회생제동이라는 충전기술이며, 브레이크를 밟으면 자동차가 가지고 있던 에너지는 자동차 차체의 관성으로 브레이크 디스크와 패드 사이의 마찰열 및 엔진열로 날아가 버리게 되지만, 상기 회생제동의 기술을 사용하여 상기 엔진(23b)의 힘을 상기 전기모터(23a)를 구동하는데 에너지를 사용하게 하여 제동하는 원리이다.
결국, 상기 엔진(23b)에 연료 주입을 중단시키고, 상기 엔진(23b)에 남아 있는 관성의 힘을 상기 전기모터(23a)를 구동하는데 사용하여 상기 슈퍼 캐패시터(21a)를 충전하는데 쓸 수 있게 된다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 의해, 자동차가 낮은 속도로 구동되거나 공회전시에 슈퍼 캐패시터의 에너지로 전기모터를 구동시키는 에너지의 흐름을 나타내는 사시도이다.
본 실시예에 의한 상기 자동차 시스템(20)은 도 2를 참조하여 설명한 상기 자동차 시스템(20)과 실질적으로 동일하므로, 동일한 참조번호를 사용하고, 중복되는 설명은 이를 생략한다.
도 7을 참조하면 상기 자동차 시스템(20)의 상기 엔진(23b)은 구동하지 않는 상태이고, 오로지 상기 전기모터(23a)가 구동하여 상기 자동차를 주행시키게 된다. 이는 저속 주행이나 후진의 경우에 사용될 수 있으며, 소음이 문제되는 장소에서 사용할 경우 조용히 주행할 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한, 상기 연료통(21d)의 연료를 모두 소비하였을 경우, 근접한 주유소까지 주행할 수 있는 에너지를 제공할 수 있다.
도 8은 도 2 내지 도 7의 실시예에서의, 슈퍼 캐패시터의 구조를 나타내는 사시도이다.
도 8을 참조하면, 상기 슈퍼 캐패시터(21b)는 복수의 캐패시터(30a)들 간의 결합으로 이루어져 있으며, 더 높은 용량을 필요로 하는 경우 상기 슈퍼 캐패시터(21b) 내부에 상기 복수의 캐패시터들을 추가할 수 있다.
상기 캐패시터(30a)는 외부에 케이스를 형성하여, 상기 자동차의 트렁크하부에 부착할 수 있다. 상기 슈퍼 캐패시터(21b)의 크기는 한정적이지 않고, 원통형이 아닌 바닥이 직사각형인 직육면체의 형상을 가질 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 실시예들에 의하면, 상기 자동차 시스템(20)은 화학반응을 이용하는 배터리와 달리 전극과 전해질 계면으로의 단순한 이온의 이동이나 표면화학반응에 의한 충전현상을 가지는 상기 슈퍼 캐패시터(21b)를 배터리 대신 사용하여, 기존 하이브리드 자동차의 단점이던 충전속도를 크게 줄일 수 있고, 높은 충방전 효율 및 반영구적인 충전 사이클이 가능한 장점을 가지고 있다.
상기 자동차 시스템(20)은 높은 토크와 스피드를 제공할 수 있는 상기 엔진(23b)과 함께 조용하고 섬세한 주행이 가능한 상기 전기모터(23a)를 동시에 사용하거나 각각 따로 사용하여, 환경에 맞는 주행을 할 수 있다.
또한, 상기 충전부(22)와 회생제동 및 상기 엔진(23b)을 통한 충전을 통해 주행중이나 주차중 및 공회전과 같이 상시 충전할 수 있는 기능들이 있고, 상기 슈퍼 캐패시터(21b)의 급속 충방전의 기능과 더해져서 따로 충전해야 하는 불편함이 줄어들게 된다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 슈퍼 캐패시터를 사용하는 자동차 시스템은 빠른 충방전이 가능하고, 연료비절감이 큰 친환경 자동차 시스템으로써 산업상 이용 가능성을 갖는다.
10 : 기존 하이브리드 자동차 11 : 연료통
12 : 배터리 13 : 엔진
14 : 전기모터 15 : 휠
20 : 자동차 시스템 21 : 연료부
21a : 슈퍼 캐패시터 21b : 어댑터
21c : 플러그 21d : 연료통
22 : 충전부 22a : 태양전지
22b : 염료감응형 태양전지 23 : 구동부
23a : 전기모터 23b : 엔진
30a : 캐패시터

Claims (6)

  1. 자동차 트렁크 하부에 형성되어 연료와 전기에너지를 저장 및 공급하는 연료부;
    자동차 상단에 형성되어 전기에너지를 상기 연료부에 공급하는 충전부; 및
    자동차의 본넷(bonnet) 하부에 형성되어 상기 연료와 전기에너지를 사용해서 구동력을 발생시키는 구동부를 포함하고,
    상기 연료부는 급속충전이 가능한 슈퍼 캐패시터를 포함하며,
    상기 충전부는,
    자동차에 부착되어 태양빛을 받아 전기로 전환시키는 태양전지; 및
    자동차의 유리창에 형성되어 태양빛을 받아 전기로 전환시키는 염료감응형 태양전지를 포함하며,
    상기 구동부는,
    가솔린이나 경유 또는 천연가스를 연료로 구동하는 엔진; 및
    전기에너지로 구동하는 전기모터를 포함하며,
    자동차가 제동할 경우 구동하고 있는 상기 엔진을 상기 전기모터와 연결하여 상기 전기모터를 구동시키는 힘으로 슈퍼 캐패시터를 충전하는 것을 특징으로 하는 자동차 시스템.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 슈퍼 캐패시터는,
    외부의 전원과 연결되는 플러그; 및
    상기 플러그에서 들어오는 전기를 일정한 전압과 전류로 바꾸어 주는 어댑터를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 시스템.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 엔진에서 발생되는 구동력과 상기 전기모터에서 발생되는 구동력을 동시에 자동차의 휠에 전달이 가능한 것을 특징으로 하는 자동차 시스템.
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