KR101653837B1 - 하이브리드 산업용 차량의 전력변환장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하이브리드 산업용 차량의 전력변환장치에 관한 것으로, 상세하게는 하이브리드 전동 지게차의 동작이 개시될 때 전위차에 의해 배터리에서 울트라 커패시터(UC)로 흐르는 돌입전류를 방지하기 위하여 기존의 DC-DC 컨버터를 이용하여 울트라 커패시터로의 초기 충전 동작을 수행할 수 있는 하이브리드 산업용 차량의 전력변환장치에 관한 것이다. 이를 위하여, 본 발명은 전력변환장치 내에 배터리, 울트라 커패시터 및 DC-DC 컨버터 간의 연결 관계를 설정하는 스위치부를 설치하여, 스위치부의 온/오프 동작에 의해 배터리의 전압이 DC-DC 컨버터를 통해 울트라 커패시터로 충전될 수 있다. 이에 따라, 초기 충전을 위한 별도의 충전 회로가 필요 없어서, 전력변환장치의 제작 단가를 낮출 수 있고, 전력변환장치 내 충전 회로 장착을 위한 공간 확보 문제를 해결할 수 있다.
하이브리드, 지게차, 배터리, 울트라 커패시터, 전력변환장치, DC-DC 컨버터

Description

하이브리드 산업용 차량의 전력변환장치{POWER TRANSFORMER FOR HYBRID INDUSTRIAL VEHICLE}
본 발명은 하이브리드 산업용 차량의 전력변환장치에 관한 것으로, 상세하게는 하이브리드 전동 지게차의 동작이 개시될 때 전위차에 의해 배터리에서 울트라 커패시터(UC)로 흐르는 돌입전류를 방지하기 위하여 기존의 DC-DC 컨버터를 이용하여 울트라 커패시터로의 초기 충전 동작을 수행할 수 있는 하이브리드 산업용 차량의 전력변환장치에 관한 것이다.
지게차는 화물을 실어 옮기는데 사용되는 산업용 차량이다. 비교적 고중량의 하물을 원하는 위치로 들어올리거나, 제한된 구역 내에서 다른 장소로 운반하는데 사용된다. 지게차는 기본형 지게차와 전동 지게차로 구분된다.
기본형 지게차는 동력원으로 엔진을 사용하여, 엔진으로 유압 펌프를 구동하고, 유압 펌프에서 토출되는 압유로 조향장치의 조향동작 및 작업기의 틸팅/리프팅(Tilting/Lifting) 동작을 수행한다.
전동 지게차는 동력원으로 배터리를 사용하여, 배터리에 의해 전기 모터가 회전하고 전기 모터의 회전에 의해 펌프 모터가 회전하여, 펌프 모터의 회전에 따 라 유압 펌프가 구동하여 유압 펌프에서 토출된 압유에 의해 조향장치의 조향동작 및 작업기의 틸팅/리프팅 동작을 수행하게 된다. 전동 지게차는 배터리와 전기 모터를 사용하여 매연 및 소음이 적기 때문에 주로 실내에서 많이 사용된다.
이러한 전동 지게차의 동력원인 배터리에 울트라 커패시터(UC)를 추가 사용하여, 배터리와 울트라 커패시터의 협조로 부하의 동력을 분담할 수 있는 하이브리드 전동 지게차가 개발되었다.
울트라 커패시터는 자체 방전율이 배터리보다 매우 크므로 울트라 커패시터의 완전 방전 상태에서 지게차의 운용을 개시하는 경우, 배터리와 울트라 커패시터의 전위차에 의해 배터리에서 울트라 커패시터로 과대 전류가 흐를 수 있다. 울트라 커패시터로 흐르는 과대 전류를 돌입 전류(inrush current)라고 한다. 이러한 돌입 전류에 의해 울트라 커패시터가 손상될 수 있다.
돌입 전류에 의한 울트라 커패시터의 손상을 방지하기 위해, 배터리에서 울트라 커패시터로의 소전류 충전 동작이 필요하다. 이에 따라 종래 하이브리드 전동 지게차의 전력변환장치에서는 별도의 충전 회로를 장착하여 소전류 충전 동작을 수행하였다. 그러나 별도의 충전 회로를 장착해야 하기 때문에 전력변환장치의 생산 비용이 증가하고 전력변환장치 내에 충전 회로의 장착 공간을 확보하기 위한 설계변경을 해야 하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은 저렴하고 간단한 구성으로 안전하게 울트라 커패시터의 초기 충전 동작을 수행할 수 있는 하이브리드 산업용 차량의 전력변환장치를 제공하는 것에 있다.
이를 위하여, 본 발명에 의한 하이브리드 산업용 차량의 전력변환장치는, 배터리 및 울트라 커패시터를 동력원으로 사용하는 하이브리드 산업용 차량의 전원변환장치에 있어서, 상기 배터리의 전압 레벨을 변경하는 DC-DC 컨버터와, 상기 DC-DC 컨버터에서 출력된 전압 및 상기 울트라 커패시터의 전압을 입력 받아 인터버로 출력하는 DC 링크와, 상기 하이브리드 산업용 차량의 초기 충전 동작 시, 상기 배터리와 상기 DC-DC 컨버터의 출력단을 연결시키고, 상기 울트라 커패시터와 상기 DC-DC 컨버터의 입력단을 연결시키는 스위치부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이, 본 발명은 전력변환장치에 스위치부를 추가하는 것만으로 기존 DC-DC 컨버터를 이용하여 울트라 커패시터의 초기 충전 동작을 수행할 수 있기 때문에, 초기 충전을 위한 별도의 충전 회로가 필요 없고, 이에 따라 전력변환장치의 제작 단가를 낮출 수 있고, 전력변환장치 내 충전 회로 장착을 위한 공간 확보를 위해 전력변환장치의 회로 설계를 할 필요가 없다.
또한, 본 발명은 울트라 커패시터의 교체 또는 정비 시 스위치부의 동작에 의해 울트라 커패시터의 잔존 전압이 배터리로 방전되기 때문에, 울트라 커패시터의 잔존 전압에 의한 작업자의 감전 사고를 방지할 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 첨부하여 본 발명에 따른 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 구성 및 그에 따른 작용 효과는 이하의 상세한 설명을 통해 명확하게 이해될 것이다. 본 발명의 상세한 설명에 앞서, 동일한 구성요소에 대해서는 다른 도면 상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호로 표시하며, 공지된 구성에 대해서는 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 구체적인 설명은 생략하기로 함에 유의한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 산업용 차량의 전력변환장치의 개략적인 구성을 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 전력변환장치(40)의 입력단은 배터리(10) 및 울트라 커패시터(20)에 연결되고, 전력변환장치(40)의 출력단은 인버터(30)에 연결된다. 전력변환장치(40)는 배터리(10) 및 울트라 커패시터(20)로부터 전압을 입력받아 소정의 처리를 수행한 후 인버터(30)로 출력한다. 인버터(30)는 전력변환장치(40)로부터 출력된 직류를 교류로 변환하여 부하로 공급한다.
전력변환장치(40)는 배터리(10)의 직류 전압 레벨을 강압 또는 승압하는 DC-DC 컨버터(43), DC-DC 컨버터(43)에서 출력된 전압 및 울트라 커패시터(20)의 전압을 입력 받아 인터버(30)로 출력하는 DC 링크(44), 배터리(10)와 울트라 커패시터(20) 및 DC-DC 컨버터(43) 간의 연결 관계를 설정하는 스위치부(42), 스위치 부(42) 및 DC-DC 컨버터(43)의 동작을 제어하는 제어부(41) 등으로 구성된다.
하이브리드 전동 지게차가 동작을 개시할 때 울트라 커패시터(20)로 초기 충전 동작이 수행된다. 제어부(41)가 지게차의 동작 개시를 감지하면, 제어부(41)는 스위치부(42)를 제어하여 배터리(10)의 전압이 DC-DC 컨버터(43)를 통해 울트라 커패시터(20)로 충전되도록 한다.
스위치부(42)는 배터리(10)와 DC-DC 컨버터(42)의 입력단 간에 설치된 제1 스위치(MC1), 울트라 커패시터(20)와 DC-DC 컨버터(42)의 출력단 간에 설치된 제2 스위치(MC2), 제1 스위치(MC1)의 일단과 제2 스위치(MC2)의 타단 간에 설치된 제3 스위치(SR1), 제1 스위치(MC1)의 타단과 제2 스위치(MC2)의 일단 간에 설치된 제4 스위치(SR2)로 구성된다. 여기서, 제1 스위치(MC1) 및 제2 스위치(MC2)는 대전류 도통용 대용량 컨텍터가 사용될 수 있고, 제3 스위치(SR1) 및 제4 스위치(SR2)는 소용량 릴레이가 사용될 수 있다.
도 2는 본 발명에 의한 전력변환장치의 초기 충전 동작을 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 제1 스위치(MC1) 및 제2 스위치(MC2)는 오프 되고, 제3 스위치(SR1) 및 제4 스위치(SR2)은 온 되어, 배터리(10)와 DC-DC 컨버터(43)의 출력단이 연결되고, 울트라 커패시터(20)와 DC-DC 컨버터(43)의 입력단이 연결된다. 이와 같은 스위치부(42)의 온/오프 동작에 의해, 도 2에 도시된 화살표와 같이, 배터리(10)에서 나온 전류가 DC-DC 컨버터(43)를 통해 울트라 커패시터(20)로 흘러 들어감으로써, 울트라 커패시터(20)로의 초기 충전 동작이 수행된다.
도 3은 본 발명에 의한 전력변환장치의 정상 운용 동작을 나타낸 것이다.
울트라 커패시터(20)로의 초기 충전 동작이 완료되면, 지게차는 배터리(10) 및 울트라 커패시터(20)로부터 전력을 공급받아 정상적인 운용 동작을 시작한다.
도 3을 참조하면, 제1 스위치(MC1) 및 제2 스위치(MC2)는 온 되고, 제3 스위치(SR1) 및 제4 스위치(SR2)은 오프 되어, 배터리(10)와 DC-DC 컨버터(43)의 입력단이 연결되고, 울트라 커패시터(20)와 DC-DC 컨버터(43)의 출력단이 연결된다. 이와 같은 스위치부(42)의 온/오프 동작에 의해, 배터리(10)에서 나온 전류는 DC-DC 컨버터(43) 및 DC 링크(44)를 거쳐 인버터(30)로 흘러 들어가고, 울트라 커패시터(20)에서 나온 전류는 DC 링크(44)를 거쳐 인버터(30)로 흘러 들어간다.
도 4는 울트라 커패시터(20)의 교체/정비 시 전력변환장치의 방전 동작을 나타낸 것이다.
작업자가 울트라 커패시터(20)를 교체 또는 정비하기 위해서는 지게차로부터 울트라 커패시터(20)를 분리해야 한다. 울트라 커패시터(20)를 분리할 때 울트라 커패시터(20)에 잔존 전압이 있는 경우, 잔존 전압에 의해 감전 사고가 발생할 수 있다.
따라서, 울트라 커패시터(20)의 교체/정비 시, 작업자가 소정의 버튼이나 스위치를 조작하여 교체/정비 모드를 설정하면, 제어부(41)는 스위치부(42)를 제어하여 울트라 커패시터(20)의 전압이 DC-DC 컨버터(43)를 통해 배터리(10)로 방전되도록 한다.
도 4를 참조하면, 제1 스위치(MC1) 및 제2 스위치(MC2)는 오프 되고, 제3 스위치(SR1) 및 제4 스위치(SR2)은 온 되어, 배터리(10)와 DC-DC 컨버터(43)의 출력 단이 연결되고, 울트라 커패시터(20)와 DC-DC 컨버터(43)의 입력단이 연결된다. 이러한 연결 구조는 초기 충전 동작에서의 연결구조과 동일하다. 다만, 울트라 커패시터(20)에 잔존 전압이 있기 때문에, 도 4에 도시된 화살표와 같이, 울트라 커패시터(20)에서 나온 전류가 DC-DC 컨버터(43)를 통해 배터리(10)로 흘러 들어감으로써, 울트라 커패시터(20)의 방전 동작이 수행될 수 있다.
도 5는 본 발명에 의한 전력변환장치의 동작 과정을 나타낸 순서도이다.
도 5를 참조하면, 먼저 하이브리드 전동 지게차의 하이브리드 키 스위치를 온 한다(S10). 하이브리드 키 스위치를 온 하면 지게차의 하이브리드 동작이 개시되고, 제어부(41)는 DC 링크(44)에 충전된 전압(V_dc)이 소정의 기준 전압 이상인지를 판단한다(S11). 기준 전압은 일반적으로 배터리 전압의 90% 수준이다. DC 링크 전압이 기준 전압 미만일 경우, DC 링크 전압이 기준 전압 이상이 될 때까지 대기한다. 일정 시간(예를 들어, 5초) 이후에도 DC 링크 전압이 기준 전압에 도달하지 않으면 에러 발생으로 처리한다.
DC 링크 전압이 기준 전압 이상일 경우, 제어부(41)는 울트라 커패시터(20) 전압이 기준 전압 이상인지를 판단한다(S12).
울트라 커패시터 전압이 기준 전압 이상인 경우, 제어부(41)는 스위치부(42)를 제어하여 제1 스위치(MC1) 및 제2 스위치(MC2)가 온 된다(S16). 이에 따라, 배터리(10)와 DC-DC 컨버터(43)의 입력단이 연결되고, 울트라 커패시터(20)와 DC-DC 컨버터(43)의 출력단이 연결되어, 초기 충전 동작 없이 바로 정상 운영 동작을 수행한다.
반면, 울트라 커패시터 전압이 기준 전압 미만인 경우, 제어부(41)는 스위치부(42)를 제어하여 제3 스위치(SR1) 및 제4 스위치(SR2)가 온 된다(S13). 이에 따라, 배터리(10)와 DC-DC 컨버터(43)의 출력단이 연결되고, 울트라 커패시터(20)와 DC-DC 컨버터(43)의 입력단이 연결되어, 울트라 커패시터(20)로의 초기 충전 동작이 수행된다.
다음, 제어부(41)는 울트라 커패시터(20)의 전압이 기준 전압 이상이 되는지 판단한다(S14). 울트라 커패시터(20)의 전압이 기준 전압이 도달하지 않으면 계속해서 충전이 수행된다. 울트라 커패시터(20)의 전압이 기준 전압 이상이 되면, 제어부(41)는 제3 스위치(SR1) 및 제4 스위치(SR2)를 오프 하고(S15), 제1 스위치(MC1) 및 제2 스위치(MC2)를 온 한다(S16), 이에 따라, 배터리(10) 및 울트라 커패시터(20)가 부하의 동력을 분담하는 하이브리드 정상 운용 동작을 수행한다.
본 발명은 하이브리드 전동 지게차의 전력변환장치을 예로 들어 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 배터리 및 울트라 커패시터를 구비한 모든 하이브리드 전기식 산업용 차량의 전력변환장치에 적용 가능한 것이다. 따라서 본 발명의 명세서에 개시된 실시예들은 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.
도 1은 본 발명에 의한 전기식 하이브리드 지게차의 전력변환장치의 구성도.
도 2는 본 발명에 의한 전력변환장치의 초기 충전 동작을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 의한 전력변환장치의 정상 운용 동작을 나타낸 도면.
도 4는 울트라 커패시터의 교체/정비 시 전력변환장치의 방전 동작을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에 의한 전력변환장치의 동작 과정을 나타낸 순서도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
10: 배터리 20: 울트라 커패시터(UC)
30: 인버터 40: 전력변환장치
41: 제어부 42: 스위치부
43: DC-DC 컨버터 44: DC 링크

Claims (5)

  1. 배터리 및 울트라 커패시터를 동력원으로 사용하는 하이브리드 산업용 차량의 전원변환장치에 있어서,
    상기 배터리의 전압 레벨을 변경하는 DC-DC 컨버터와,
    상기 DC-DC 컨버터에서 출력된 전압 및 상기 울트라 커패시터의 전압을 입력 받아 인터버로 출력하는 DC 링크와,
    상기 배터리와 상기 DC-DC 컨버터의 입력단 간에 설치된 제1 스위치(MC1)와, 상기 울트라 커패시터와 상기 DC-DC 컨버터의 출력단 간에 설치된 제2 스위치(MC2)와, 상기 제1 스위치의 일단과 상기 제2 스위치의 타단 간에 설치된 제3 스위치(SR1)와, 상기 제1 스위치의 타단과 상기 제2 스위치의 일단 간에 설치된 제4 스위치(SR2)를 포함하는 스위치부와,
    상기 울트라 커패시터의 전압이 소정의 기준전압 미만인 경우, 상기 배터리에서 나온 전류가 상기 DC-DC 컨버터를 통해 상기 울트라 커패시터로 흘러 들어감으로써 상기 울트라 커패시터의 초기 충전 동작이 수행되도록, 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치를 오프 시키고 상기 제3 스위치와 제4 스위치를 온시켜, 상기 배터리와 상기 DC-DC 컨버터의 출력단을 연결시키고, 상기 울트라 커패시터와 상기 DC-DC 컨버터의 입력단을 연결시키는 제어부를 포함하며,
    상기 제어부는,
    상기 울트라 커패시터로의 충전이 완료되면, 상기 제1 스위치와 제2 스위치를 온시키고,
    상기 울트라 커패시터의 교체 또는 정비 모드가 설정되면, 상기 울트라 커패시터를 분리할 때 상기 울트라 커패시터에 잔존 전압이 있는 경우에 상기 잔존 전압에 의해 발생할 수 있는 감전 사고를 방지하기 위해, 상기 울트라 커패시터에서 나온 전류가 상기 DC-DC 컨버터를 통해 상기 배터리로 흘러감으로써 상기 울트라 커패시터의 방전 동작이 수행되도록, 상기 제1 스위치와 제2 스위치는 오프 시키고상기 제3 스위치와 제4 스위치를 온시켜, 상기 배터리와 상기 DC-DC 컨버터의 출력단을 연결시키고, 상기 울트라 커패시터와 상기 DC-DC 컨버터의 입력단을 연결시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 산업용 차량의 전력변환장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 울트라 커패시터의 전압이 소정의 기준전압 이상인 경우, 상기 제어부는 상기 제1 스위치와 제2 스위치를 온시켜, 상기 배터리와 상기 DC-DC 컨버터의 입력단을 연결시키고, 상기 울트라 커패시터와 상기 DC-DC 컨버터의 출력단을 연결시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 산업용 차량의 전력변환장치.
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