KR101599555B1 - 하이브리드용 전력 변환 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 DC 링크 커패시터 또는 울트라 커패시터가 서로 직접 연결되어 있기 때문에 한쪽이 완전 방전되어 있거나 충전 전압이 서로 다를 경우에 발생된 돌입 전류를 방지하기 위하여, 초기 시동시에 DC 링크 커패시터 및 울트라 커패시터 간의 스위칭을 통해 각 전압을 서로 일치시켜 초기 충전을 완료한 후에 선회 모터를 구동시킴으로써, 초기 시동 시 전기 저장 장치의 충-방전 상태에 무관하게 안전하게 초기화시킬 수 있다.
Figure R1020090130341
하이브리드, 컨버터리스, 전력 변환 장치, 초기 충전

Description

하이브리드용 전력 변환 장치{POWER CONVERTER FOR HYBRID}
본 발명은 하이브리드용 전력 변환 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 DC 링크 커패시터 또는 울트라 커패시터가 서로 직접 연결되어 있기 때문에 한쪽이 완전 방전되어 있거나 충전 전압이 서로 다를 경우에 발생된 돌입 전류를 방지하기 위하여, 초기 시동시에 DC 링크 커패시터 및 울트라 커패시터 간의 스위칭을 통해 각 전압을 서로 일치시켜 초기 충전을 완료한 후에 선회 모터를 구동시킴으로써, 초기 시동 시 전기 저장 장치의 충-방전 상태에 무관하게 안전하게 초기화시킬 수 있는, 하이브리드용 전력 변환 장치에 관한 것이다.
최근에는 유가의 급격한 상승과 함께 엔진의 잉여 동력을 배터리에 저장하고 엔진의 부족한 동력을 배터리로부터 공급하여 연비를 개선한 하이브리드 형태의 건설기계에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
이와 같이, 엔진과 전기 모터를 공통 동력원으로 사용하고 전기에너지 저장 장치가 있는 시스템을 하이브리드 시스템이라 한다. 예를 들어, 하이브리드 시스템 에는 하이브리드 자동차 및 굴삭기와 같은 중장비용 하이브리드 시스템이 있다.
한편, 일반적인 굴삭기 시스템은 엔진을 동력원으로 하여 유압이라는 매개체를 통해서 최종 부하인 붐, 암 및 버켓을 선회시키거나 주행시키는 동작을 수행한다. 이와 달리, 하이브리드 굴삭기 시스템은 일반적인 굴삭기에 2개의 모터와 전기저장 장치를 추가로 설치함으로써, 굴삭기 시스템의 전체효율을 향상시킬 수 있다. 하이브리드 굴삭기 시스템에 추가되는 주요부품은 모터, 전기 저장 장치, 인버터 및 컨버터를 포함한다. 여기서, 전기 저장 장치는 배터리(Battery) 및 울트라 커패시터(Ultra-capacitor)를 포함한다.
도 1 은 종래의 DC-DC 컨버터를 구비한 전력 변환 장치의 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 DC-DC 컨버터를 구비한 전력 변환 장치(100)는 스위칭 모드 전원 공급부(110), 로직 제어 보드(120), 엔진 보조 모터 인버터(130), 선회 모터 인버터(140), DC 링크 커패시터(150) 및 DC-DC 컨버터인 울트라 커패시터 컨버터(160)를 포함한다. 여기서, 스위칭 모드 전원공급부(110), 로직 제어 보드(120), 엔진 보조 모터 인버터(130), 선회 모터 인버터(140) 및 울트라 커패시터 컨버터(160)는 각각 제어 보드용 배터리(101), 굴삭기 전기 장치(102), 엔진 보조 모터(103), 선회 모터(104) 및 울트라 커패시터(105)와 연결되어 있다.
스위칭 모드 전원공급부(SMPS: Switched-Mode Power Supply)(110)는 제어 보드용 배터리(101)와 연결되어 로직 제어 보드(120)에 전원을 공급한다.
로직 제어 보드(120)는 울트라 커패시터(105)의 전압 및 DC 링크 커패시 터(150)의 전압을 센싱하고 초기 구동 로직을 제어하는 기능을 수행한다.
엔진 보조 모터 인버터(130)는 엔진 보조 모터(103)에 의해 DC 링크 커패시터(150)를 충전시키는 기능을 수행한다. 여기서, 엔진 보조 모터(103)는 엔진과 직접적으로 연결되어 있으며, 엔진 구동시 엔진과 같은 회전수(rpm)로 회전한다.
선회 모터 인버터(140)는 울트라 커패시터(105)의 전력 컨텍터가 온(ON) 상태가 되면, 충전된 전압에 따라 선회 모터(104)를 구동시키는 기능을 수행한다. 여기서, 선회 모터(104)는 굴삭기의 선회 동작에 필요한 동력을 발생시킨다.
DC 링크 커패시터(150)는 엔진 보조 모터 인버터(130)에 의해 변환된 DC 전압을 충전한다. DC 링크 커패시터(150)는 울트라 커패시터 컨버터(160)와 연결되어 있다.
울트라 커패시터 컨버터(160)는 DC 링크 커패시터(150)에 저장된 전기 에너지를 이용하여 울트라 커패시터(105)를 충전시키는 기능을 수행한다. 울트라 커패시터 컨버터(160)는 DC 링크 커패시터(150)와 울트라 커패시터(105) 사이에 연결되어 있다. 여기서, 울트라 커패시터(105)는 울트라 커패시터(105)에 의해 변환된 전압으로 충전된다.
이와 같은 구성을 가진 DC-DC 컨버터를 구비한 전력 변환 장치(100)는 모터를 구동하는 인버터(예컨대, 엔진 보조 모터 인버터(130) 및 선회 모터 인버터(140))와 울트라 커패시터를 구동하는 컨버터(예컨대, 울트라 커패시터 컨버터(160))를 포함한다. 여기서, 울트라 커패시터 컨버터(160)는 울트라 커패시터(105)에 충전할 DC 링크의 전압을 변환하는 과정에서 동작 손실을 수반한다. 이 러한 컨버터가 없다면, 전력 변환 장치(100)는 여러 가지 장점을 가질 수 있다.
첫 번째로, 종래의 DC-DC 컨버터를 구비한 전력 변환 장치에 비해 컨버터리스(Converter Less) 전력 변환 장치는 시스템 효율을 향상시킬 수 있다. 이는 울트라 커패시터(160)에서 발생하는 손실 분이 없어지기 때문이다.
두 번째로, 전력 변환 장치(100)의 크기를 축소시킬 수 있다. 전력 변환 장치는 DC-DC 컨버터용 인덕터, 고속 스위칭이 가능한 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT: Insulated gate bipolar transistor), 및 전류 계측용 전류 트랜스(CT: Current Transformer)가 필요하지 않다. 그러므로, 이러한 컨버터용 인덕터, IGBT 및 CT가 차지하는 면적이 없어지므로, 전력 변환 장치(100)의 크기는 줄어들 수 있다.
세 번째로, 전력 변환 장치(100)를 제작하기 위한 비용이 절감될 수 있다. 전력 변환 장치(100)는 컨버터용 인덕터, IGBT 및 CT가 없는 구조로 제작될 수 있다.
이와 같이, 컨버터를 사용하지 않으면서 울트라 커패시터(105)와 같은 전기에너지 저장 장치를 사용할 경우, 종래의 전력 변환 장치(100)는 손실을 절감할 수 있는 장점이 있다.
하지만, DC 링크 커패시터(150) 및 울트라 커패시터(105)를 서로 직접 연결시키는 경우, 울트라 커패시터 컨버터(160)가 방전되어 있거나 DC링크와 전압차이가 커서 울트라 커패시터(105)가 충전되어야 할 때 위험한 돌입 전류가 발생될 수 있다. 이러한 돌입 전류는 전력 변환 장치(100)가 초기 시동하는 경우, 어느 한쪽 이 완전 방전되어 있거나 충전 전압이 서로 다를 경우, 에너지 회생에 의해 울트라 커패시터(105)가 충전될 때 울트라 커패시터(105)의 전압이 낮은 경우 발생할 수 있다. 즉, 종래의 전력 변환 장치(100)로부터 단순히 DC-DC 컨버터를 삭제할 경우 초기 시동시 또는 울트라 커패시터의 충전(105)시 돌입 전류에 의해 부품이 파손될 수 있다는 문제점이 있다. 따라서 이러한 돌입 전류에 의한 문제를 해결하기 위한 기술개발이 절실히 필요한 상황이다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 전력변환장치의 소형화 및 제조비용 절감을 도모함과 아울러 울트라 커패시터의 충전시 도립전류에 의한 손상을 방지할 수 있는 하이브리드용 전력 변환 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이를 위하여, 본 발명에 따른 하이브리드용 전력 변환 장치는, 하이브리드용 전력 변환 장치에 있어서, 엔진 보조 모터와 연결된 제1 인버터와 부하 모터와 연결된 제2 인버터 사이에 위치하며, 상기 엔진 보조 모터에서 발생된 전기 에너지를 축적하기 위한 제1 축전 수단; 상기 제 1 축전 수단에 축전된 전기 에너지와 상기 엔진 보조 모터로부터 발전된 전기 에너지 및 상기 부하 모터의 발전구동에 의해 발전된 전기 에너지를 축전하기 위한 제 2 축전 수단; 상기 제1 축전 수단과 제2 축전 수단 사이에 위치하고, 상기 제1 축전 수단에 축적된 전기 에너지를 상기 제2 축전 수단에 충전시키기 위한 초기 충전 수단; 상기 초기 충전 수단 및 상기 제2 축전 수단 간의 연결과, 상기 제2 축전 수단 및 선회 모터 간의 연결을 각각 스위칭하기 위한 스위칭 수단; 및 상기 제1 및 제2 축전 수단에서 각각 센싱된 제1 및 제2 축전 전압을 초기 시동시에 서로 일치시키고, 상기 선회 모터와 상기 제2 축전 수단을 연결을 위해 상기 스위칭 수단을 제어하는 위한 초기 충전 제어 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, DC 링크 커패시터 또는 울트라 커패시터가 서로 직접 연결되어 있기 때문에 한쪽이 완전 방전되어 있거나 충전 전압이 서로 다를 경우에 발생된 돌입 전류를 방지하기 위하여, 초기 시동시에 DC 링크 커패시터 및 울트라 커패시터의 전압을 서로 일치시킨 후에 선회 모터를 구동시킴으로써, 초기 시동 시 전기 저장 장치의 충-방전 상태에 무관하게 안전하게 초기화시킬 수 있는, 효과가 있다.
즉, 본 발명은, 컨버터가 사용되지 않고 DC 링크 커패시터 또는 울트라 커패시터가 서로 직접 연결되어 있기 때문에 한쪽이 완전 방전되어 있거나 충전 전압이 서로 다를 경우에 발생된 돌입 전류를 방지할 수 있으며, 초기 시동 시 전기 저장 장치의 충-방전 상태에 무관하게 안전하게 초기화시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은, DC-DC 컨버터용 인덕터, IGBT 및 CT를 구비하지 않아도 되 므로 전체 전력 변환 장치의 크기를 축소시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은, 컨버터를 구비함으로 소요되는 비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 구성 및 그에 따른 작용 효과는 이하의 상세한 설명을 통해 명확하게 이해될 것이다. 본 발명의 상세한 설명에 앞서, 동일한 구성요소에 대해서는 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호로 표시하며, 공지된 구성에 대해서는 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 구체적인 설명은 생략하기로 함에 유의한다.
도 2 는 본 발명에 따른 하이브리드용 전력 변환 장치의 일실시예 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 DC-DC 컨버터리스 전력 변환 장치(200)는 스위칭 모드 전원공급부(210)에 의해 전원을 공급받는 초기 충전 제어부(220), 엔진 보조 모터 인버터(230), 선회 모터 인버터(240), 직류 링크(DC link: Direct Current link) 커패시터(250), 초기 충전부(260), 초기 충전용 소용량 릴레이(SR1, SR2)(270) 및 대전류 도통용 대용량 컨텍터(MC1, MC2)(280)를 포함한다. 울트라 커패시터(290)는, 초기 충전용 소용량 릴레이(SR1, SR2)(270) 및 대전류 도통용 대용량 컨텍터(MC1, MC2)(280)를 통해 전력 변환 장치(200)와 연결된 다. 여기서, 스위칭 모드 전원공급부(210), 초기 충전 제어부(220), 엔진 보조 모터 인버터(230), 선회 모터 인버터(240)는 각각 배터리(101), 굴삭기 전기 장치(102), 엔진 보조 모터(103) 및 부하 모터(104)와 연결되어 있다. 초기 충전용 소용량 릴레이(SR1, SR2)(270)는 울트라 커패시터(290)에 포함될 수 있다. 도 2는 상기 울트라 커패시터(290)에 축전된 전기를 사용하여 구동되는 부하 모터(104)로서 장비의 선회구동 동력을 제공하는 선회모터를 일례로 도시하고 있다. 하지만, 본 발명은 꼭 이에 한정되는 것은 아니며 장비에 장착된 여러 작업장치들에 동력을 제공하는(굴삭기의 경우 유압을 제공하기 위한 펌프) 장치에 연결된 모터 중 울트라 커패시터에 축전된 전기를 사용할 수 있는 모터라면 어떤 것이든 적용이 가능하다. 이 경우 작업장치의 관성에 의해 모터가 역구동되어 발전기의 기능을 하는 경우라면, 발전된 전기는 직류 링크를 경유하여 울트라 커패시터에 충전될 수 있다.
이하, DC-DC 컨버터리스 전력 변환 장치(200) 및 울트라 커패시터(290)의 구성 요소 각각에 대해서 설명하기로 한다.
스위칭 모드 전원공급부(SMPS: Switched-Mode Power Supply)(210)는 제어 보드용 배터리(101)와 연결되어 초기 충전 제어부(220)에 전원을 공급한다.
초기 충전 제어부(220)는 울트라 커패시터(290)의 전압 및 DC 링크 커패시터(250)의 전압을 센싱하고, 초기 구동 로직을 제어하는 기능을 수행한다. 즉, 초기 충전 제어부(220)는 후술될 [표 1] 및 도 4에 따라 초기 시동시 DC 링크 커패시터(250)의 전압과 울트라 커패시터(290)의 전압을 일치시키도록, 초기 충전용 소용량 릴레이(SR1, SR2)(270) 및 대전류 도통용 대용량 컨텍터(MC1, MC2)(280)를 제어 하여 DC 링크 커패시터(250)와 울트라 커패시터(290) 간에 돌입 전류가 발생하지 않게 한다.
엔진 보조 모터 인버터(230)는 엔진 보조 모터(103)에 의해 DC 링크 커패시터(250)를 충전시키는 기능을 수행한다. 여기서, 엔진 보조 모터(103)는 엔진과 직접적으로 연결되어 있으며, 초기 시동시 엔진과 같은 회전수(rpm)로 회전한다.
선회 모터 인버터(240)는 울트라 커패시터(290)의 대용량 컨텍터(MC1, MC2)(280)가 온(ON) 상태가 되면, 충전된 전압에 따라 선회 모터(104)를 구동시킨다.
DC 링크 커패시터(250)는 엔진 보조 모터 인버터(230)에 의해 변환된 DC 전압을 충전한다. DC 링크 커패시터(250)는 초기 충전부(260)와 연결되어 있다.
초기 충전부(260)는 울트라 커패시터(290)를 충전시킨다. 초기 충전부(260)는 DC 링크 커패시터(250)와 울트라 커패시터(290) 사이에 연결되어 있다. 여기서, 울트라 커패시터(290)는 초기 충전부(260)에 의해 변환된 전압으로 충전된다. 바람직하게는 초기 충전부(260)는 초기 충전용 소용량 DC-DC 컨버터로 이루어질 수 있다.
한편, 울트라 커패시터(290)는 DC 링크 커패시터(250)와 연결되고, 그 사이에 초기 충전부(260)가 위치해 있다. 울트라 커패시터(290)는 초기 충전 제어부(220)에 의해 제어되는 초기 충전용 소용량 릴레이(SR1, SR2)(270) 및 대전류 도통용 대용량 컨텍터(MC1, MC2)(280)의 동작에 따라, 울트라 커패시터(290)의 전압을 DC 링크 커패시터(250)의 전압과 일치시킨다.
초기 충전용 소용량 릴레이(SR1, SR2)(270)는 초기 충전 제어부(220)의 제어에 따라 초기 충전부(260)를 통해 변환된 DC 링크 커패시터(250)의 전압을 울트라 커패시터(290)로 전달시키거나 차단하는 기능을 수행한다.
대전류 도통용 대용량 컨텍터(MC1, MC2)(280)는 초기 시동시에 오프(OFF) 상태를 유지하다가, 초기 충전 제어부(220)의 제어에 따라 DC 링크 커패시터(250)의 전압과 울트라 커패시터(290)의 전압이 일치되면, 온(ON) 상태로 변경하여 울트라 커패시터(290)에 충전된 전압이 선회 모터 인버터(240)를 통해 선회 모터(104)로 전달되도록 한다.
이하, 초기 충전 제어부(220)에서 초기 시동시 제어 과정을 하기의 [표 1]을 참조하여 구체적으로 살펴보면, 본 발명에 따른 컨버터리스 전력 변환 장치(200)는 2개의 전기에너지 저장 장치인 DC 링크 커패시터(250) 및 울트라 커패시터(290)를 포함하고 있다. 2개의 전기에너지 저장 장치 간의 돌입 전류의 발생을 억제하기 위하여, DC 링크 커패시터(250) 및 울트라 커패시터(290)는 충전 및 방전 상태에 따라 순차적으로 초기화된다.
우선, 초기 충전 제어부(220)는 DC 링크 커패시터(250)의 전압 및 울트라 커패시터(290)의 전압을 센싱한다. 초기 충전 제어부(220)는 센싱된 전압에 따라 DC 링크 커패시터(250) 및 울트라 커패시터(290)의 충전 상태를 하기의 [표 1]에 따라 구분한다. 즉, 초기 충전 제어부(220)는 DC 링크 커패시터(250) 및 울트라 커패시터(290)의 전압 상태를 판별한다.
DC 링크
UC 전압		 0V ~ 기준전압 기준전압 ~ 최대전압
0V ~
기준전압		 DC 링크: 기준전압까지 자연충전
UC: 기준전압까지 충전		 DC 링크: 기준전압까지 전압제어
UC: 기준전압까지 충전
기준전압~
최대전압		 DC 링크: UC전압까지 전압 제어
UC: 제어 없음		 DC 링크: UC 전압까지 전압 제어
UC: 제어 없음
여기서, 기준전압은 초기 엔진 시동시 엔진 보조 발전 모터(103)의 출력전압을 나타낸다. 상기 [표 1]에서 DC 링크 커패시터(250) 및 울트라 커패시터(290)의 충전 상태는 4가지로 구분이 가능하다.
첫째로, DC 링크 커패시터(250)의 전압이 0V부터 기준전압 내에 포함되면서 울트라 커패시터(290)의 전압이 0V부터 기준전압인 경우에, 초기 충전 제어부(220)는 DC 링크 커패시터(250)를 기준전압까지 자연적으로 충전시킨다. 그리고 초기 충전 제어부(220)는 소용량 릴레이(SR1 및 SR2)(270)를 온(ON)으로 유지시켜 울트라 커패시터(290)를 기준전압 즉, DC 링크 커패시터(250)의 전압까지 충전시킨다.
둘째로, DC 링크 커패시터(250)의 전압이 기준전압부터 최대전압 내에 포함되면서 울트라 커패시터(290)의 전압이 0V부터 기준전압인 경우에, 초기 충전 제어부(220)는 DC 링크 커패시터(250)를 기준전압으로 전압 제어한다. 즉, DC 링크 커패시터(250)의 전압이 기준전압보다 높으면, 초기 충전 제어부(220)는 DC 링크 커패시터(250)의 전압을 낮추도록 소용량 릴레이(SR1 및 SR2)(270)를 제어한다. 그리고 초기 충전 제어부(220)는 울트라 커패시터(290)를 기준전압까지 충전시키도록 소용량 릴레이(SR1 및 SR2)(270)를 온 상태로 유지시킨다.
셋째로, DC 링크 커패시터(250)의 전압이 기준전압부터 최대전압 내에 포함되면서 울트라 커패시터(290)의 전압이 0V부터 기준전압인 경우에, 초기 충전 제어부(220)는 DC 링크 커패시터(250)의 전압을 울트라 커패시터(290)의 전압에 맞추도록 전압 제어한다. 이때, 초기 충전 제어부(220)는 울트라 커패시터(290)의 전압을 제어하지 않는다.
넷째로, DC 링크 커패시터(250)의 전압이 기준전압부터 최대전압이면서 울트라 커패시터(290)의 전압이 기준전압부터 최대전압인 경우에, 초기 충전 제어부(220)는 DC 링크 커패시터(250)의 전압을 울트라 커패시터(290)의 전압에 맞추도록 전압 제어한다. 이때, 초기 충전 제어부(220)는 울트라 커패시터(290)의 전압을 제어하지 않는다.
상기 [표 1]에 따라, 초기 충전 제어부(220)는 DC 링크 커패시터(250)의 전압과 울트라 커패시터(290)의 전압을 일치시키도록 전압 제어한다. 즉, 초기 충전 제어부(220)는 DC 링크 커패시터(250)의 전압과 울트라 커패시터(290)의 전압이 기준전압을 기준으로 어느 쪽에 있는지를 구분하여 DC 링크 커패시터(250) 또는 울트라 커패시터(290)를 전압 제어한다.
이러한 전압제어 과정은 DC 링크 커패시터(250)의 충전 모드와 울트라 커패시터(290)의 충전 모드로 이루어진다. DC 링크 커패시터(250)의 충전 모드에서 소용량 릴레이(270) 및 대용량 컨텍터(280)는 오프(OFF) 상태로 유지된다. DC 링크 커패시터(250)의 전압은 엔진 보조 모터 인버터(230)를 통해 충전된다. 반면, 반면, 울트라 커패시터(290)의 충전 모드에서 소용량 릴레이(270)는 온(ON) 상태로 유지되고, 대용량 컨텍터(280)는 오프(OFF) 상태로 유지된다. 울트라 커패시터(290)의 전압은 초기 충전부(260)를 통해 충전된다.
도 3a 및 도 3b 는 본 발명에 따른 DC 링크 충전 모드와 UC 충전 모드에서의 초기 충전 동작에 대한 일실시예 설명도이다.
본 발명에 따른 DC 링크 충전 모드와 UC 충전 모드로 구분하여 설명하기로 한다.
첫째로, DC 링크 커패시터(250) 충전 모드에서 엔진 보조 모터(103)는 초기 시동시 엔진이 초기 회전수(rpm)로 회전함에 따라 자동으로 발전동작으로 수행하여 초기 회전수(rpm)에 해당하는 전압을 생성한다. 이때, DC 링크 커패시터(250)의 전압이 이 발전 전압보다 낮을 경우 자연적으로 이 전압 차에 의해 엔진 보조 모터 인버터(이하, 제1 인버터라 한다)(230)의 파워 디바이스(Power Device)에 내장된 다이오드가 도통 상태가 된다. 그러면, DC 링크 커패시터(250)의 커패시터에 발전된 전압만큼 충전된다. 여기서, 엔진이 초기 시동시 초기 회전수(rpm)로 회전하는 것이 중요한 요소로 작용한다. DC 링크 충전 모드에서 소용량 릴레이(SR1, SR2)(270) 및 대전류 도통용 대용량 컨텍터(MC1, MC2)(280)는 오프(OFF) 상태로 유지되어 있다.
둘째로, 울트라 커패시터(290) 충전 모드를 살펴보면, DC 링크 커패시터(250) 충전 모드에서 오프 상태로 유지되어 있던 소용량 릴레이(SR1, SR2)(270)는 온(ON) 상태로 변경되고, 대전류 도통용 대용량 컨텍터(MC1, MC2)(280)는 오프(OFF) 상태로 유지된다. 그러면, DC 링크 커패시터(250) 충전 모드에서 충전된 DC 링크 커패시터(250)가 초기 충전부(260)와 온(ON) 상태로 변경된 소용량 릴레이(SR1, SR2)(270)를 통해 울트라 커패시터(290)를 충전시킨다. 여기서, 대전류 도통용 대용량 컨텍터(MC1, MC2)(280)는 오프(OFF) 상태로 유지되어 있다.
즉, DC 링크 커패시터(250)는 제1 인버터(230)를 통해 충전되고, 울트라 커패시터(290)는 DC 링크 커패시터(250), 초기 충전부(260) 및 소용량 릴레이(SR1, SR2)(270)를 통해 충전된다.
이후, DC 링크 커패시터(250) 및 울트라 커패시터(290)의 충전이 완료되면, 초기 충전 제어부(220)는 대전류 도통용 대용량 컨텍터(MC1, MC2)(280)를 온(ON) 상태로 변경하여 초기 충전 과정을 완료한다.
도 4 는 본 발명에 따른 DC 링크 및 울트라 커패시터의 초기 충전 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.
운전자가 굴삭기 전기 장치(102)의 키 온(Key On)을 수행하여 초기 시동시 엔진이 초기 회전수(rpm)로 회전한다. 이어서, 엔진이 초기 시동시 초기 회전수(rpm)로 회전함에 따라, 엔진 보조 모터(103)는 자동으로 발전 동작으로 수행하여 초기 회전수(rpm)에 해당하는 전압을 생성한다. 이때, DC 링크 커패시터(250)의 전압이 발전 전압보다 낮을 경우 자연적으로 이 전압 차에 의해 제1 인버터(230)의 파워 디바이스(Power Device)에 내장된 다이오드가 도통 상태가 된다. 그러면, DC 링크 커패시터(250)의 커패시터에서 발전된 전압만큼 충전된다(402). 여기서, 기준전압은 초기 시동시 엔진 아이들(idle) 속도에 따른 충전 전압을 나타낸다.
초기 충전 제어부(220)는 울트라 커패시터(290)로부터 센싱된 울트라 커패시터(290)의 전압이 기준전압 미만인지 여부를 확인한다(404).
상기 확인 결과(404), 울트라 커패시터(290)의 전압이 기준전압 미만이면, 초기 충전 제어부(220)는 울트라 커패시터(290)의 전압을 기준전압에 맞춰 충전시킨다(406).
그리고 초기 충전 제어부(220)는 울트라 커패시터(290)의 전압이 기준전압 이상인지 여부를 확인한다(408).
상기 확인 결과(408), 울트라 커패시터(290)의 전압이 기준전압 이상이면, 초기 충전 제어부(220)는 대용량 컨텍터(280)를 온(ON) 상태로 연결한다(410). 반면, 울트라 커패시터(290)의 전압이 기준전압 미만이면, 초기 충전 제어부(220)는 울트라 커패시터(290)가 기준전압으로 충전되는 "406" 과정부터 다시 수행한다.
한편, 상기 확인 결과(404), 울트라 커패시터(290)의 전압이 기준전압 이상이면, 초기 충전 제어부(220)는 DC 링크 커패시터(250)를 울트라 커패시터(290)의 전압에 맞추도록 충전시킨다(412).
그리고 초기 충전 제어부(220)는 DC 링크 커패시터(250)의 전압이 울트라 커패시터(290)의 전압 이상인지 여부를 확인한다(414).
상기 확인 결과(414), DC 링크 커패시터(250)의 전압이 울트라 커패시터(290)의 전압 이상이면, 초기 충전 제어부(220)는 대용량 컨텍터(280)를 온(ON) 상태로 연결하는 "410" 과정을 수행한다. 반면, DC 링크 커패시터(250)의 전압이 울트라 커패시터(290)의 전압 미만이면, 초기 충전 제어부(220)는 DC 링크 커패시터(250)의 전압이 울트라 커패시터(290)의 전압에 맞추도록 충전되는 "412" 과정부터 다시 수행한다.
이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 명세서에 개시된 실시 예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.
본 발명은 DC 링크 커패시터 또는 울트라 커패시터가 한쪽이 완전 방전되어 있거나 충전 전압이 서로 다를 경우에 발생된 돌입 전류를 방지하여 초기 시동 시 전기 저장 장치의 충-방전 상태에 무관하게 안전하게 초기화시켜 현재의 전력 변환 장치 사업을 보다 활성화시킬 수 있다.
도 1 은 종래의 DC-DC 컨버터를 구비한 전력 변환 장치의 구성도,
도 2 는 본 발명에 따른 하이브리드용 전력 변환 장치의 일실시예 구성도,
도 3a 및 도 3b 는 본 발명에 따른 DC 링크 충전 모드와 UC 충전 모드에서의 초기 충전 동작에 대한 일실시예 설명도,
도 4 는 본 발명에 따른 DC 링크 및 울트라 커패시터의 초기 충전 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
200: 전력 변환 장치　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　220: 초기 충전 제어부
230: 엔진 보조 모터 인버터　　　　　　　　　　　　　　240: 선회 모터 인버터
250: DC 링크 커패시터　　　 　　　　　　　　　　　　　　260: 초기 충전부
270: 초기 충전용 소용량 릴레이(SR1, SR2)
280: 대전류 도통용 대용량 컨텍터(MC1, MC2)

Claims (6)

  1. 하이브리드용 전력 변환 장치에 있어서,
    엔진 보조 모터와 연결된 제1 인버터와 부하 모터와 연결된 제2 인버터 사이에 위치하며, 상기 엔진 보조 모터에서 발생된 전기 에너지를 축적하기 위한 제1 축전 수단;
    상기 제 1 축전 수단에 축전된 전기 에너지와 상기 엔진 보조 모터로부터 발전된 전기 에너지 및 상기 부하 모터의 발전구동에 의해 발전된 전기 에너지를 축전하기 위한 제 2 축전 수단;
    상기 제1 축전 수단과 제2 축전 수단 사이에 위치하고, 상기 제1 축전 수단에 축적된 전기 에너지를 상기 제2 축전 수단에 충전시키기 위한 초기 충전 수단;
    상기 초기 충전 수단 및 상기 제2 축전 수단 간의 연결과, 상기 제2 축전 수단 및 선회 모터 간의 연결을 각각 스위칭하기 위한 스위칭 수단; 및
    상기 제1 및 제2 축전 수단에서 각각 센싱된 제1 및 제2 축전 전압을 초기 시동시에 서로 일치시키고, 상기 선회 모터와 상기 제2 축전 수단을 연결을 위해 상기 스위칭 수단을 제어하는 위한 초기 충전 제어 수단
    을 포함하며,
    상기 스위칭 수단은, 상기 제2 축전 수단을 충전시키도록, 상기 초기 충전 수단 및 상기 제2 축전 수단 간의 연결을 스위칭하기 위한 제1 스위칭 수단; 및 상기 부하 모터를 구동시키도록, 상기 제2 축전 수단 및 상기 선회 모터 간의 연결을 스위칭하기 위한 제2 스위칭 수단;을 포함하고,
    상기 초기 충전 제어 수단은, 상기 센싱된 제1 및 제2 축전 전압을 초기 시동시 엔진 아이들 속도에 의한 소정의 충전 전압과 비교하고, 상기 센싱된 제1 및 제2 전압의 비교 결과에 따라, 상기 센싱된 제2 전압이 상기 소정의 충전 전압 미만이면 상기 제2 스위칭 수단을 이용하여 상기 제2 축전 수단을 상기 소정의 충전 전압까지 충전시키고, 상기 센싱된 제2 전압이 상기 소정의 충전 전압 이상이면 상기 제1 축전 수단을 상기 센싱된 제2 전압까지 충전시키는 하이브리드용 전력 변환 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 초기 충전 제어 수단은,
    상기 센싱된 제1 및 제2 전압의 비교 결과에 따라, 상기 제1 및 제2 축전 수단의 전압을 상기 소정 충전 전압 또는 상기 센싱된 제2 전압까지 전압 제어하는 하이브리드용 전력 변환 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 초기 충전 제어 수단은,
    상기 센싱된 제1 및 제2 전압의 비교 결과에 따라, 상기 제2 스위칭 수단을 이용하여 상기 제2 축전 수단을 상기 센싱된 제1 전압 또는 소정 전압까지 충전시키는 하이브리드용 전력 변환 장치.
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