KR102072904B1 - 전기차 자가발전 구동 시스템 - Google Patents

전기차 자가발전 구동 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기차 자가발전 구동 시스템에 관한 것으로, 전기차 자가발전 구동 시스템은 전기차의 구동원인 구동모터 회전축의 회전력에 의해 회전하는 발전기를 구동모터가 장착된 엔진룸에 동축 구조로 설치하고, 구동모드 배터리에 의해 주행 중 차량에서 충전모드 배터리를 충전하고, 충전모드 배터리를 이용하여 구동모드 배터리 모듈을 재구성하고, 이를 통해 구동모터에 전력공급하여 보다 친환경적인 자동차의 주행동력과 그 외 다양한 기능의 전장품에 전력을 효율적으로 공급할 수 있다.

Description

전기차 자가발전 구동 시스템 및 이를 이용하는 전기차 운영 방법{POWER-LOOP TRAIN SYSTEM FOR ELECTRIC VEHICLE AND METHOD FOR OPERATING ELECTRIC VEHICLE USING THE SAME}
본 발명의 실시예들은 전기를 동력으로 사용하는 전기차의 구동 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 바퀴구동력, 회생제동력, 태양광, 풍력, 연료전지 또는 이들의 조합을 포함한 다양한 발전수단에서 수집된 전기에너지를 효과적으로 사용할 수 있는 전기차 자가발전 구동 시스템 및 이를 이용하는 전기차 운영 방법에 관한 것이다.
최근 화석에너지 소모량의 증가에 의하여 대기 중 이산화탄소, 일산화탄소, 질소산화물, 미세먼지 등의 대기오염 물질 배출량의 증가와 더불어 심각한 대기 오염을 유발하고 있다. 대기 오염에 따른 지구 온난화와 기후변화는 전세계 곳곳의 다양한 지역에서 폭우, 폭설, 가뭄, 폭서, 한파 등 다양한 기상이변을 발생시키고 있다. 이러한 기상이변과 기후변화의 위협은 국제사회의 매우 중요한 이슈이다.
각국의 환경 정책과 그에 따른 연구개발 분위기에서, 화석연료의 사용을 최소화하면서 차량의 연비를 극대화하고자 하는 에너지 효율 제고 분야에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 또한, 차량 기술의 발달에 따라 하이브리드 전기차(HEV), 플러그인 하이브리드 전기차(PHEV), 전기차(EV), 연료전지전기차(FCEV) 등의 신에너지 자동차 분야의 기술 발전이 상당한 성과를 보이고 있으며 전세계적으로 친환경자동차 보급이 상당히 확대되고 있다.
풍력, 수력, 태양광 등 청정에너지원을 이용하여 전기를 생산하고 생산된 전기를 사용하여 구동하는 전기차에 많은 연구개발이 진행되고 있다. 전기차의 경우, 주행거리를 확장하기 위한 주행거리 확장 장치와, 동일 중량에서 배터리 용량을 증가시키기 위한 연구 등 다양한 분야의 지속적인 노력을 통해 배터리용량 30㎾h 이하의 전기차에서 1회 충전에 주행거리 최대 250㎞ 정도를 달성하고 있다.
또한, 다양한 형태의 외부 충전에 의해 전기차의 주행거리를 400㎞ 내지 700㎞로 확장하기 위한 연구개발 노력이 다양한 기술분야에서 추진 중에 있다. 아울러 전기차의 빠른 보급확대를 위해 전기차의 충전시간 단축 방안 및 충전소 등과 같은 사회적 인프라 확충에 대한 연구개발도 활발히 진행 중에 있다.
그러나 전기차에서 생산되는 운동에너지를 이용하여 전기차 내에서 자가발전하는 연구개발은 아직까지 미미한 실정이다.
공개특허공보 제10-2010-0061429호(2010.06.07.) 공개특허공보 제10-2014-0005366호(2014.01.14.)
본 발명의 목적은 발전기를 구동모터에 직접 연결시켜 전기차의 회생제동에 따른 에너지회수와 함께 회생제동시의 브레이크 보조 동작을 동시에 수행할 수 있는 전기차 자가발전 구동 시스템 및 이를 이용하는 전기차 운영 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 전기차의 보조 발전수단에서 전력을 수집하고 배터리 충전제어 장치를 통해 효과적으로 배터리를 충전하고 운영하는 전기차 자가발전 구동 시스템 및 이를 이용하는 전기차 운영 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 온실가스 및 대기오염 물질 방출 제로(Emission Zero)를 달성할 수 있는 자연 친화적인 전기차(EV) 자가발전 구동(PLT: Power-loop train) 시스템 및 이를 이용하는 전기차 운영 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 전기차(EV)의 외부로부터의 충전을 위해 소요되는 충전시간과 횟수를 최소화하기 위한 자연 친화적인 전기차 자가발전 구동 시스템 및 이를 이용하는 전기차 운영 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 스마트 카, 커넥티드 카, 자율주행차 및 무인자동차 등에서 사용되는 다양한 기능의 전장품 소요 전력 증가 문제를 해결할 수 있는 전기차 자가발전 구동 시스템 및 이를 이용하는 전기차 운영 방법을 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일측면에 따른 전기차 자가발전 구동 시스템은, 배터리에 충전된 전기에너지를 이용하여 주행하는 전기차의 자가발전 구동 시스템으로서, 상기 전기차의 바퀴에 구동력을 제공하는 구동모터; 상기 구동모터의 구동축에 연결되고 상기 구동축의 회전력에 의해 전기를 생성하는 구동 발전부; 상기 구동모터에 구동전력을 공급하는 배터리부; 및 상기 구동 발전부의 제1 발전 전기로 상기 배터리부의 충전모드 배터리 모듈을 충전하는 배터리 모듈 충전부를 포함하고, 상기 배터리 모듈 충전부는, 상기 전기차의 주행 속도가 미리 설정된 속도 이상에서 브레이크에 의해 강제 감속할 때만 상기 구동 발전부를 동작시킬 수 있다. 이러한 구성에 의해, 구동발전부는 보조 브레이크로서 동작하면서 자가발전 장치로 동작할 수 있다.
일실시예에서, 상기 배터리 모듈 충전부는 상기 전기차의 브레이크가 동작될 때 상기 브레이크의 동작에 따른 입력신호를 획득하고, 상기 입력신호가 미리 설정된 값 또는 레벨 이상일 때 상기 구동 발전부의 발전 동작을 활성화시킬 수 있다.
일실시예에서, 전기차 자가발전 구동 시스템은 상기 전기차의 전방에 발생하는 공기저항을 소멸하면서 발생한 풍속을 이용하여 회전하는 회전날개를 구비하고 상기 회전날개의 회전력에 의해 전기에너지를 생성하는 풍력 발전부, 또는 상기 전기차의 외표면에 노출되고 태양에너지에 의해 전기에너지를 생성하는 태양광 발전부를 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 구동 발전부, 상기 풍력 발전부 및 상기 태양광 발전부에서 생성되는 전기에너지는 상기 배터리 모듈 충전부에 의해 상기 배터리부에 속한 서로 독립적인 충전 배터리들에 각각 충전되고 관리될 수 있다. 또한, 상기 배터리 모듈 충전부 내 배터리 접속 스위치 제어 장치는 상기 충전 배터리들을 상기 배터리부의 적어도 일부 배터리와 전기적으로 대체하여 전기차의 구동동력의 일부로 사용되도록 동작할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일측면에 따른 전기차 자가발전 구동 시스템을 이용하는 전기차 운영 방법은, 전기차에서 브레이크 동작 시에 발생하는 입력신호를 수신하는 단계; 상기 입력신호에 대응하는 값 또는 레벨을 미리 설정된 값 또는 레벨과 비교하는 단계; 상기 비교하는 단계에서의 결과에 따라 상기 전기차의 구동 모터에 결합하여 회전하는 발전기의 동작을 활성화하는 단계; 및 상기 발전기의 동작에 의해 발생하는 전기에너지를 상기 전기차의 구동모터에 전력을 공급하는 배터리부의 충전 배터리에 충전하는 단계를 포함한다.
일실시예에서, 상기 수신하는 단계는, 상기 전기차의 주행 속도가 일정 속도 이상이면서 상기 전기차의 브레이크가 동작될 때 상기 브레이크의 동작에 따른 입력신호를 획득할 수 있다.
일실시예에서, 상기 활성화하는 단계는, 상기 비교하는 단계에서의 비교 결과에서 상기 입력신호가 미리 설정된 값 또는 레벨 이상일 때 상기 구동 발전부의 발전 동작을 활성화할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 전기차 자가발전 구동 시스템은, 전기차의 구동모터에 구동전력을 제공하는 배터리부; 상기 배터리부의 전력으로 상기 전기차의 구동 및 주행 중 상기 구동모터의 회전축에 직결된 발전기 로터(Rotor)를 구비하는 구동 발전부; 상기 구동모터의 회생제동력을 이용하여 상기 배터리부의 충전모드 배터리 모듈을 충전하는 배터리 모듈 충전부를 포함하고, 상기 배터리부의 배터리 팩을 구성하는 배터리 모듈의 개수는 구동모드 모듈 개수(m)와 충전모드 모듈 개수(k)로 구성되며, 상기 배터리 팩은 구동모드 배터리 모듈 재구성 회로를 포함하고, 상기 구동모드 모듈 개수는 상기 충전모드 모듈 개수보다 큰 것을 특징으로 한다.
일실시예에서, 상기 배터리부는 배터리 모듈별 충전 상태 감지 및 배터리 팩 구성을 담당하고, 상기 배터리 모듈 충전부는 발전 전압/전류 센싱 및 충전 제어와 충전/방전 모드의 배터리 모듈별 접속을 제어할 수 있다.
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충전모드 배터리 모듈을 충전하는 방법은, 전기차의 배터리 팩(Battery pack)의 모듈(module) 단위로 충전할 수 있다. 개별 배터리 모듈의 충전 상태가 만충전 미만 또는 90% 이하인 경우 충전을 수행할 수 있다. 충전 모드의 배터리 모듈을 배터리 접속 스위치 제어를 통해 충전 제어할 수 있도록 한다. 전압/전류 센서 및 충전제어를 통해 배터리 모듈의 충전을 위해 발전기나 발전기와 보조발전기에서 생산되는 전력의 전압 및/또는 전류를 센싱할 수 있다. 전술한 배터리 접속 스위치 제어는 스위칭 제어로 지칭되고 배터리 모듈 충전부 내 스위칭 제어부에 의해 담당되고, 전압/전류 센서 및 충전제어는 충전 제어로 지칭되고 배터리 모듈 충전부 내 충전 제어부에 의해 담당될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 전기차 자가발전 구동 시스템의 작동방법에서 충전 모드 배터리 모듈에 대한 접속 스위치 제어는, 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)의 실시간 충전상태(SoC) 측정 및 감시 제어에 의해 구동모드(Acting mode) 배터리 모듈의 재구성이 필요하다고 판단되는 경우에 수행될 수 있다. 재구성이 필요하면, BMS는 배터리 모듈 충전부에 배터리 모듈 재구성 관련 정보 및 충전 배터리 모듈 정보를 전달하여 충전 제어부와 스위칭 제어부의 제어를 통해 배터리 모듈의 재구성 및 충전모드 배터리 모듈에 대한 충전을 제어할 수 있다. 배터리 모듈의 재구성은 각 배터리 모듈의 구동모드 및 충전모드 설정이나 변경을 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 전기차 자가발전 구동 시스템의 작동방법에서 배터리 모듈별 충전 상태 감지는, BMS를 통해 구동모터에 구동전력을 제공하는 배터리 모듈과 충전모드 배터리 모듈의 충전상태를 실시간 측정하며, 측정한 충전상태에 기초하여 배터리 모듈의 모드 교체를 판단할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 전기차 자가발전 구동 시스템의 작동방법에서 배터리부의 구성 및 관리는, 전기차에 탑재되는 배터리 팩(Battery Pack)으로서 구동모터의 전력 공급을 담당하는 구동모드(Acting mode) 배터리 모듈과 여분의 충전모드(Charging mode) 배터리 모듈로 구분하여 이루어진다.
충전모드 배터리 모듈의 개수는 구동모드 배터리 모듈의 개수 대비 약 30~40% 수준일 수 있다. 배터리 팩의 모듈단위 구성은 탑재 초기에 구동모드 배터리 모듈과 충전모드 배터리 모듈을 구분하여 탑재하나 배터리 모듈의 재구성 후에는 배터리 모듈의 충전상태나 수명에 따라 구동모드와 충전모드로 구분되어 관리될 수 있다. 충전 제어부는 단독으로 혹은 BMS와의 연동으로 구동모드 배터리 모듈의 방전에 따른 충전상태와 충전모드 배터리 모듈의 충전에 따른 충전상태를 감지하여 충전상태가 기설정 임계치(V0, V1) 이하로 내려간 경우, 배터리 모듈의 재구성을 수행할 수 있다. 배터리 모듈의 재구성은 충전 완료 혹은 기설정 상한치 이상으로 충전된 배터리 모듈을 기설정 하한치 이하로 방전된 배터리 모듈과 대체하는 것을 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 전기차 자가발전 구동 시스템은, 전기차의 구동모터에 구동전력을 제공하는 배터리부; 배터리부의 전력으로 전기차의 구동 또는 주행 중 구동모터의 회전축의 회전력을 이용하여 전기를 생산하는 구동 발전부; 및 구동모터의 회생제동력을 이용하여 배터리부의 충전모드 배터리 모듈을 충전하는 배터리 모듈 충전부를 포함하고, 여기서 배터리부의 배터리 관리 시스템(BMS) 또는 배티러 모듈 충전부는 전기차의 구동 또는 주행 중 발전한 전력을 충전모드 배터리 모듈에 충전하고, 배터리 잔량(State of Charge, SOC)이 임계치 혹은 기설정 최저치 이하인 구동모드 배터리 모듈을 기설정 상한치 이상의 SOC로 충전된 충전모드 배터리 모듈로 대체 연결할 수 있다.
일실시예에서, 구동 발전부는 구동모터의 회전자 축에 직결되는 회전자를 구비하는 발전기를 포함할 수 있다.
일실시예에서, 배터리 모듈 충전부는 충전모드 배터리 모듈의 충전을 위해 배터리 관리 시스템과 통신하는 배터리 접속 스위칭 제어부 또는 스위칭 제어부를 더 구비할 수 있다.
일실시예에서, 전기차 자가발전 구동 시스템은, 상기 배터리 모듈에서 상기 구동모터로 전력을 전달하는 구동전력선; 상기 구동 발전부의 발전기로부터 상기 배터리 모듈로 전력을 전달하는 충전전력선; 및 상기 구동전력선, 상기 충전전력선 및 상기 배터리 모듈들 간을 연결하는 스위칭 소자들을 더 포함할 수 있다. 상기 배터리 관리 시스템 및 상기 배터리 모듈 충전부 중 어느 하나 이상은 스위칭 소자들의 동작을 제어하여 특정 배터리 모듈을 구동전력선에서 분리하여 충전전력선에 연결하거나, 혹은 다른 특정 배터리 모듈을 충전전력선에서 분리하여 구동전력선에 연결하거나 인접한 다른 배터리 모듈들 사이에 연결할 수 있다.
일실시예에서, 전기차 자가발전 구동 시스템은, 구동 발전부의 발전기와 배터리 모듈 충전부 사이에 연결되고 구동모터의 회전축에 발전기와 병렬 연결되어 발전하는 보조발전부를 더 포함할 수 있다. 보조발전부는 구동모터 또는 발전기의 회전축에 벨트나 체인으로 연결되는 하나 또는 둘 이상의 발전기 또는 보조발전기를 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 전기차 자가발전 구동 방법은, 구동모드 배터리 모듈과 충전모드 배터리 모듈을 구비한 배터리 팩을 준비하는 단계; 배터리 모듈의 충전상태를 검출하는 단계; 배터리 모듈의 모드를 판단하는 단계; 상기 배터리 모듈의 모드가 구동모드이면, 배터리 모듈의 충전상태가 방전 임계치 이하인지를 판단하는 단계; 상기 충전상태가 방전 임계치 이하인 배터리 모듈을 교체 대상으로 결정하는 단계; 및 상기 교체 대상 배터리 모듈을 상기 충전모드 배터리 모듈로 대체하여 재구성하는 단계를 포함한다.
일실시예에서, 전기차 자가발전 구동 방법은, 상기 배터리 모듈의 모드를 판단하는 단계에서 상기 배터리 모듈의 모드가 충전모드이면, 상기 충전모드로 판단된 배터리 모듈을 충전상태의 기준값 이상으로 충전하는 단계를 더 포함할 수 있다. 충전모드로 판단되는 배터리 모듈은 배터리 팩 초기의 구동모드 배터리 모듈이나 충전모드 배터리 모듈일 수 있다. 구동모드 배터리 모듈은 방전 동작 후에 충전모드 배터리 모듈과 대체되어 충전모드 배터리 모듈로 모드 변환된다.
본 발명의 실시예들에 따른 자가발전 구동 시스템 및 이를 이용하는 전기차 운용 방법에 의하면, 전기차의 구동모터에 발전기를 연결하여 보조 브레이크 겸용 자가발전 장치로 사용함으로써 전기차의 일정 속도 이상의 고속 주행시에 발생하는 회생제동 에너지를 효과적으로 회수할 수 있다. 따라서, 전기차의 최대 단점인 주행거리를 연장하는데 기여할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 전기차의 주행 중 생산한 전기로 배터리 모듈의 충전과 차량 내 전장품이나 IT 제품 등 다양한 종류의 전자 제품에 필요한 전력을 효과적으로 공급할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 외부 충전의 횟수와 시간을 상대적으로 감소시킬 수 있고, 온실가스 및 대기오염을 유발하는 물질의 방출 제로(Emission Zero)의 전기차의 주행 성능을 향상시켜 지구온난화 및 기후변화에 대한 예방 및 개선 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전기차 자가발전 구동 시스템에 대한 블록도이다.
도 2는 도 1의 전기차 자가발전 구동 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 3은 도 1의 전기차 자가발전 구동 시스템에 채용할 수 있는 배터리 팩의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 3의 배터리 팩의 작동 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 4의 배터리 팩의 작동 상태를 보여주는 예시도이다.
도 6은 도 1의 전기차 자가발전 구동 시스템에 채용할 수 있는 배터리 팩의 구성에 대한 예시도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기차 자가발전 구동 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 8은 도 7의 방법에 채용할 수 있는 배터리 모듈의 충전 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기차 자가발전 구동 시스템의 블록도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기차 자가발전 구동 시스템의 블록도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기차 자가발전 구동 시스템을 이용하는 전기차 운용 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 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, A, B 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. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
본 명세서에서 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 명세서에서, "포함한다", "가진다" 등과 관련된 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서의 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어는 통상적이거나 사전적 의미로 한정되어 해석되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사항에 부합하는 의미와 개념으로 해석 되어야 한다. 이에, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전기차 자가발전 구동 시스템에 대한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 전기차 자가발전 구동 시스템(100)은 구동 발전부(10), 보조 발전부(20), 배터리 모듈 충전부(30), 배터리부(40)를 포함하여 구성된다. 배터리 모듈 충전부(30)는 전압/전류 센서 및 충전제어 장치(31) 및 배터리 접속 스위치 제어 장치(32)를 구비하고, 배터리부(40)는 배터리 팩(Battery Pack, 41), 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)(42) 및 인버터(43)를 구비할 수 있다.
이러한 구성의 전기차 자가발전 구동 시스템(100)은 배터리부(40)로부터 전력을 공급받아 구동 발전부(10)의 구동모터(11)를 구동하고 구동모터(11)의 구동에 의해 발생되는 고속의 회전력을 감속기(200)를 통해 바퀴에 제공한다. 또한, 본 실시예에서 구동모터(11)의 구동 시 발생하는 고속의 회전력은 특정한 조건에서 구동모터(11)의 회전자(rotor) 축에 직접 또는 간접 연결된 발전기(12)의 회전자를 회전시킨다.
또한, 전기차 자가발전 구동 시스템(100)은 보조 발전부(20)를 더 포함할 수 있다. 보조 발전부(20)는 발전기(이하, '보조발전기'라고 한다)(21)를 구비하고, 보조발전기는 구동모터(11) 또는 발전기(12)의 회전자에 대응하는 구동축에 연결되는 벨트 또는 체인(22)을 통해 회전 구동될 수 있다. 보조발전기(21)는 배터리 팩(41)을 구성하는 단위 배터리 모듈의 전압과 전류의 용량을 고려하거나 전기차 내 전장부품이나 사용자 전장부품에 대한 전력 공급을 고려하여 그 장착 개수가 선택적으로 조정될 수 있다.
배터리 모듈 충전부(30)는 구동 발전부(10)의 발전기(12)와 보조 발전부(20)의 발전기(21)에 의해 발전된 전기를 배터리부(40)의 배터리 팩(41) 내 충전모드 배터리 모듈을 충전할 수 있다. 배터리 모듈 충전부(30)는 BMS(42)와 충전 대상의 배터리 모듈 정보 및 배터리 모듈 내 배터리 셀의 충전상태(State of Charging, SoC) 정보를 전송받을 수 있다. 배터리 모듈 충전부(30)는 배터리 모듈의 충전을 위해 전압/전류 센서 및 충전제어 장치(31)와 배터리 접속 스위치 제어 장치(32)를 구비하고, 이들의 동작을 통해 배터리 모듈들 각각의 충전모드 연결 및 방전모드 연결을 제어할 수 있다.
이하의 설명에서 전압/전류 센서 및 충전제어 장치는 충전 제어부에 대응하며 충전 제어부로 지칭될 수 있고, 배터리 접속 스위치 제어 장치는 스위칭 제어부에 대응하며 스위칭 제어부로 지칭될 수 있다.
배터리부(40)에서, 배터리 팩(41)은 구동모터(11)에 구동전력을 제공한다. BMS(42)는 배터리 팩(41)을 구성하는 배터리 모듈에 대해 상태 감시 및 평가, 충방전 컨트롤, 온도제어, 밸런싱 등을 수행할 수 있다. BMS(42)는 전기차에 동력을 제공하는 배터리 팩에 대한 안전하고 신뢰도 높은 배터리 운용 정책을 구비할 수 있다. 그리고 인버터(43)는 배터리 팩(41)의 구동모드 배터리 모듈로부터의 전력을 구동모터(11)로 공급할 수 있다.
전술한 구성에 있어서, 충전 제어부(31)는 배터리 팩(41) 내 배터리 모듈들 중 구동모드 배터리 모듈의 방전 임계치를 감시하고, 충전모드 배터리 모듈의 충전량을 모니터링할 수 있다.
여기서, 방전 임계치(V1)는 구동모드 배터리 모듈의 충전 전압 범위로서 완충된 배터리 모듈 전압의 55~60% 범위 전압을 나타낼 수 있다. 방전된 배터리 모듈을 충전하여 충전모드 배터리 모듈로서 상태를 인식하기 위한 충전 기준전압(V2)은 완전히 충전된 배터리 모듈 전압의 80~85% 범위의 전압일 수 있다. 48V LVS(Low Voltage System)는 많은 고출력 전장부품의 전력을 지원하므로 이를 장착한 전기차 내 해당 전장부품에 대한 장착을 허용하거나 용이하게 할 수 있다.
또한, 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)(42)는 전기차 및 하이브리드 자동차의 중요 요소이다. BMS는 배터리 상태의 감시 및 평가, 충전 및 방전 컨트롤, 밸런싱 등 다양한 기능을 갖추고, 안전하고 신뢰도 높은 배터리 운용성을 구비할 수 있다. BMS의 충·방전 컨트롤은 차량 외부로부터의 충전 및 회생제동 장치에 의한 충전 제어를 포함할 수 있다.
도 2는 도 1의 전기차 자가발전 구동 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 전기차 자가발전 구동 시스템(100)이나 이를 탑재한 전기차는 배터리 팩(41)의 구동모드 배터리 모듈로부터 구동전력을 공급받아 구동 발전부(10)의 구동모터(11)를 구동하고, 구동모터(11)의 고속의 회전력을 감속기(200)와 구동축(300)에 연결된 바퀴(400)에 전달한다.
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또한, 전기차 자가발전 구동 시스템(100)은 전기차의 감속 및 제동 시 회생제동 장치를 통해 구동모드 배터리 모듈이나 충전모드 배터리 모듈을 충전할 수 있다. 특히, 본 실시예에서는 발전기(12)를 통해 전기차의 특정 주행 속도에서 브레이크에 의해 강제 감속될 때 발전기(12)를 통해 회생제동 에너지를 적극적으로 회수할 수 있다.
또한, 본 실시예의 발전기(12)는 모터 발전기로서 구현될 수 있으며, 그 경우 가파른 언덕 길 등과 같이 차량에 많이 힘이 요구되는 경우, 구동모터(11)와 구동축을 공유하는 보조모터로서 기능할 수 있다. 이를 위해, 발전기(12)는 전기차의 전자제어장치 등에 의해 구동모드 배터리 모듈로부터의 선택적으로 전력을 공급받을 수 있도록 연결될 수 있다(미도시).
보조발전기(21)는 구동모터(11)의 회전자 축에 연결되는 밸트 또는 체인(22)을 통해 보조발전기(21)의 회전자를 회전시켜 충전모드 배터리 모듈을 충전하기 위한 전기를 생산할 수 있다. 생산되는 전기는 DC 50V 내지 DC 150V의 저전압 전기일 수 있다.
배터리 모듈 충전부(30)는 발전기(12)와 보조발전기(21)에서 발전된 전기를 배터리 모듈 충전부(30)의 충전 제어부에서 배터리 팩(41)의 충전모드 배터리 모듈을 고속충전하기 위해 설정된 전압과 전류의 용량으로 제어하여 배터리 팩(41)과 연결된 충전전력선(도 3의 36 참조)를 통해 충전모드 배터리 모듈을 충전할 수 있다.
또한, 배터리 모듈 충전부(30)의 충전 제어부(도 1의 31 참조)는 충전모드 배터리 모듈의 충전상태가 설정 임계치에 도달하면 완충을 위하여 충전 전류의 세기를 낮추어 충전전력선에 공급할 수 있다. 충전 제어부는 BMS(41)로부터 특정 충전모드 배터리 모듈의 충전 완료 신호나 그에 대응하는 정보를 수신하면 스위칭 제어부(도 1의 32 참조)의 제어를 통해 충전전력선에서 해당 배터리 모듈의 접속을 분리하고 분리 완료 신호나 분리 완료 정보를 BMS(42)로 전달할 수 있다.
또한, 충전 제어부가 BMS(42)로부터 배터리 팩(41)의 충전모드 배터리 모듈의 충전 필요 신호나 충전 필요 정보를 수신하면, 충전 제어부는 충전전력선에 해당 배터리 모듈을 접속 후 충전을 진행할 수 있다.
배터리 모듈 충전부(30)는 방전 임계치(V1) 이하로 충전상태(SoC)가 낮아진 구동모드 배터리 모듈과 완충된 충전모드 배터리 모듈을 대체할 수 있다. 배터리 모듈 충전부(30)는 충전 제어부를 통해 구동전력선(도 3의 35 참조)에 접속시켜 배터리 모듈의 충전상태 등의 정보를 수신하고, 수신된 정보에 기초하여 스위칭 제어부(도 1의 32)의 제어를 통해 충전모드로 연결할 배터리 모듈과 구동모드로 연결할 배터리 모듈을 결정하고 이 배터리 모듈들에 대한 구동전력선의 분리 및 접속을 재설정할 수 있다. 이러한 배터리 모듈 재구성에 의하면, 전기차에서 안정적인 구동전력을 공급할 수 있다.
배터리 팩(41)은 구동모드 배터리 모듈들과 적어도 하나 이상의 충전모드 배터리 모듈을 포함할 수 있다. 구동모드 배터리 모듈과 충전모드 배터리 모듈은 배터리 모듈 재구성에 의해 현재의 모드를 유지하거나 다른 모드로 변경될 수 있다. 구동모드 배터리 모듈은 구동전력을 구동모터에 공급하고, 충전모드 배터리 모듈은 구동모터에 연결된 발전기의 출력전력에 의해 충전될 수 있다.
또한, 구현에 따라서 충전모드 배터리 모듈은 전기차에 탑재되는 풍력 발전부나 태양광 발전부에 의해 생산되는 전기에너지를 저장하도록 설치될 수 있음은 물론이다. 이 경우, 충전모드 배터리 모듈은 구동발전부, 풍력 발전부 및 태양광 발전부 각각에서 발생하는 전기에너지를 독립적으로 저장하도록 설치되고, 충전 제어부나 배터리 관리 시스템에 의해 밸런싱될 수 있다.
배터리 팩(41)은 배터리 충전과 배터리 방전을 위해 구동전력선(도 3의 35)과 충전전력선(도 3의 36)과 배터리 모듈들 간의 접속 및 단락 상태를 스위칭 소자를 통해 관리할 수 있다. BMS(42)는 배터리 팩(41)의 배터리 모듈에 대한 충전상태(SoC)의 감시 및 평가, 충전/방전 컨트롤 등의 기능을 수행하고, 구동모드로 동작할 배터리 모듈과 충전모드로 동작할 배터리 모듈에 대한 모듈 정보와 각 배터리 모듈의 충전상태 정보를 배터리 모듈 충전부(30)와 공유할 수 있다.
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도 3은 도 1의 전기차 자가발전 구동 시스템에 채용할 수 있는 배터리 팩의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 전기차 자가발전 구동 시스템의 배터리 팩(41)은 구동모드 배터리 모듈(A)과 충전모드 배터리 모듈을 포함할 수 있다. 구동모드 배터리 모듈은 구동전력선(35)에 직렬 및/또는 병렬로 연결되어 인버터(43)를 통해 구동모터(11)에 구동전력을 공급한다.
배터리 팩(41)에서 방전 임계치(V1) 이하의 충전상태를 나타내는 구동모드 배터리 모듈은 구동전력선(35)에서 분리되며 충전전력선(36)에 접속되고 풍력 발전부 또는 태양광 발전부에 의해 충전될 수 있다. 일정 수준 이하의 충전량을 가진 구동모드 배터리 모듈은 충전모드 배터리 모듈로 모드 변경될 수 있다.
모드 변경은, 배터리 팩(41)에 연결된 BMS 및 이 BMS와 연동하는 배터리 모듈 충전부(30)에 의해 수행될 수 있다. 배터리 모듈 충전부(30)는 배터리 모듈의 구동모드와 충전모드의 상태관리를 위해 BMS(42)의 배터리 모듈 충전상태 관리 및 제어에 따른 정보를 전달받아 배터리 모듈의 모드상태를 제어 및 관리할 수 있다.
전기차의 주행 중 회생제동력에 의해 생성된 전기는 배터리 모듈 충전부(30)에 의해 충전전력선(36)에 공급될 수 있다. 충전전력선(36)에 공급된 전력은 고속충전 제어와 접속 스위치 제어를 통해 충전모드의 배터리 모듈에 충전될 수 있다.
본 실시예에서 배터리 팩(41)은 충전모드 배터리 모듈의 개수를 구동모드 배터리 모듈(A)의 개수 대비 약 30~40% 비율로 장착할 수 있다. 전기차의 주행 중 충전모드 배터리 모듈을 충전하고 일정용량 이상 방전된 배터리 모듈을 교체할 수 있다.
도 4는 도 3의 배터리 팩의 작동 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 자가발전 구동 시스템은 구동모드 배터리 모듈 8개와 충전모드 배터리 모듈 3개를 포함한 총 11개의 배터리 모듈을 구비하고, 구동모드 배터리 모듈의 전력을 구동전력선을 통해 구동모터에 공급한다.
또한, 자가발전 구동 시스템은 전기차의 주행 중 구동모드 배터리 모듈이 방전 임계치(V1) 이하로 방전된 경우 해당 배터리 모듈을 충전모드 배터리 모듈로 대체하여 구동모드 배터리 모듈을 재구성하고 이를 통해 구동전력을 안정적 및 지속적으로 구동모터에 공급할 수 있다.
배터리 모듈들은 A 케이블(A-Cable), B 케이블(B-Cable), C 케이블(C-Cable) 등에 의해 구동전력선과 충전전력선에 이중 연결될 수 있다. 구동모드 배터리 모듈들은 구동전력선에 서로 직렬 또는 직병렬 연결될 수 있다. 충전모드 배터리 모듈들은 충전전력선에 각각 병렬 연결될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
배터리 모듈들의 충방전 결선에 있어서, 인접한 두 배터리 모듈들의 포지티브(+) 단자와 네거티브(-) 단자를 A-Cable로 연결하고, 각 배터리 모듈의 네거티브 단자를 C-Cable을 사용하여 인버터에 연결하고, 각 배터리 모듈의 포지티브 단자를 B-Cable을 사용하여 인버터에 연결할 수 있다.
본 실시예에서 배터리 모듈들, 구동전력선 및 충전전력선 사이의 접속 및 분리에 대한 선택적인 연결은 단일 배터리 모듈, 구동전력선 및 충전전력선 사이를 연결하는 A 케이블, B 케이블 및 C 케이블과 이 케이블들 사이에 연결되는 적어도 하나의 스위칭 소자의 동작을 각각 제어하여 구현될 수 있다.
도 5는 도 4의 배터리 팩의 작동 상태를 보여주는 예시도이다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에서 배터리 팩 내 배터리 모듈들의 구성 상태(STATE)가 초기상태(State Init), 제1상태(State 1) 및 제2상태(State 2)로 예시되어 있다.
초기상태(State Init)는 제1 배터리 모듈(BM1)에서 제8 배터리 모듈(BM8)까지의 8개의 배터리 모듈들이 구동모드 배터리 모듈들로 정상 동작하고 있고 제9 배터리 모듈(BM9)에서 제11 배터리 모듈(BM11)까지의 3개의 배터리 모듈들이 충전모드 배터리 모듈들로서 충전 완료된 상태를 나타낸다.
제1 내지 제8 배터리 모듈들은 모두 직렬연결되어 구동전력선에 결합하거나 직병렬 연결되어 구동전력선에 접속될 수 있고, 이때 서로 직렬 연결되는 배터리 모듈들의 일단에 위치하는 제1 배터리 모듈(BM1)의 네거티브 단자는 인버터의 네거티브(-) 입력단자에 접속되고 제8 배터리 모듈(BM8)의 포지티브 단자는 인버터의 포지티브(+) 입력단자에 접속될 수 있다. 그리고 제9 내지 제11 배터리 모듈들은 모두 충전전력선에 병렬 연결될 수 있다.
제1상태(State 1)는 충전상태가 기준치 이하인 제3 배터리 모듈(BM3)을 제10 배터리 모듈(BM10)로 대체하여 구동모드 배터리 모듈을 재구성한 상태를 나타낸다. 여기서, 제3 배터리 모듈(BM3)은 구동전력선과 분리되고 충전전력선에 연결되어 충전 중인 상태가 된다. 또한, 제2 배터리 모듈(BM2)의 포지티브 단자는 제4 배터리 모듈(BM4)의 네거티브 단자와 연결된다. 그리고 제8 배터리 모듈(BM8)의 포지티브 단자와 제10 배터리 모듈(BM10)의 네거티브 단자는 서로 연결되고, 제10 배터리 모듈(BM10)의 포지티브 단자는 인버터의 포지티브 입력단자에 접속될 수 있다.
제2상태(State 2)는, 제1 상태에 이어서, 충전상태가 기준치 이하인 제1 배터리 모듈(BM1)을 제9 배터리 모듈(BM9)과 대체하여 재구성한 배터리 모듈 상태를 나타낸다. 여기서, 제1 배터리 모듈(BM1)은 구동전력선과 분리되고 충전전력선에 연결되어 제3 배터리 모듈(BM1)과 함께 충전 중 상태로 모드 전환된다. 또한, 제2 배터리 모듈(BM2)의 네거티브 단자는 제1 배터리 모듈(BM1)의 포지티브 단자와의 연결에서 분리되어 인버터의 네거티브 입력단자에 접속된다. 그리고 제8 배터리 모듈(BM8)의 포지티브 단자와 제10 배터리 모듈(BM10)의 네거티브 단자는 서로 연결되고, 제10 배터리 모듈(BM10)의 포지티브 단자는 인버터의 포지티브 입력단자에 접속될 수 있다.
본 실시예에 따른 전기차 자가발전 구동 시스템은 배터리 모듈의 방전이나 충전 상태 혹은 불량 발생 등에 따라 배터리 모듈 충전부의 스위칭 제어에 의해 배터리 팩 내 배터리 모듈들 간의 구동전력선 및 충전전력선과의 접속/분리 제어를 통해 구동모드 배터리 모듈을 재구성할 수 있다. 이와 같이 자가발전 구동 시스템을 사용하는 전기차는 주행 중 배터리 모듈들 간의 구동/충전 모드변경 즉, 배터리 모듈 재구성을 통해 전기차의 구동모터에 안정적인 구동전력을 제공할 수 있다.
도 6은 도 1의 전기차 자가발전 구동 시스템에 채용할 수 있는 배터리 팩의 구성에 대한 예시도이다.
도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 배터리 팩은 구동모드 배터리 모듈들(BM1, BM2, …, BM8)을 포함하는 제1 배터리 모듈 그룹(41A)과, 충전모드 배터리 모듈들(BM9, BM10, BM11)을 포함하는 제2 배터리 모듈 그룹(41B)을 포함할 수 있다.
또한, 배터리 팩이나 이를 포함하는 배터리부는 제1 배터리 모듈 그룹(41A) 내 적어도 어느 하나의 배터리 모듈과 제2 배터리 모듈 그룹(41B) 내 적어도 하나의 배터리 모듈을 일대일 대체하여 구동모드 배터리 모듈을 재구성하는 스위칭 박스(45)를 구비할 수 있다.
스위칭 박스(45) 내부에서 외부로 연장되는 충전전력선의 일단이나 그 입력측 단자는 발전기측에 연결되고, 스위칭 박스(45) 내부에서 외부로 연장되는 구동전력선의 일단이나 그 출력측 단자에는 인버터 또는 구동모터가 연결될 수 있다. 스위칭 박스(45) 내 스위칭 소자들의 온/오프 동작은 충전 제어부 및 스위칭 제어부를 포함하는 배터리 모듈 충전부, BMS 또는 이들의 조합에 의해 제어될 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기차 자가발전 구동 시스템의 작동방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 전기차 자가발전 구동 시스템의 작동방법은, 배터리 모듈 충전부와 배터리부의 배터리 모듈 충전과 배터리 모듈 재구성에 의해 구현될 수 있다.
먼저, 전기차에 구동전력을 공급하기 위한 최적의 배터리 모듈 조합을 통해 구동모드 배터리 모듈과 충전모드 배터리 모듈로 배터리 팩을 구성한다(S101).
다음, 전기차의 구동을 위한 구동모드 배터리 모듈의 방전이 시작되면, 각 구동모드 배터리 모듈과 충전모드 배터리 모듈의 충전상태(SoC)를 실시간 검출할 수 있다(S103).
상기 단계(S103)에서 배터리 모듈의 동작 상태 즉 배터리 모드를 판단할 수 있다(S105). 배터리 모드가 충전모드인 경우, 해당 배터리 모듈에 대하여 고속충전 과정(Id)을 진행할 수 있다.
한편, 배터리 모드가 구동모드인 경우 배터리 모듈의 SoC가 방전 임계치(V1/V0)에 도달했는지를 판단할 수 있다(S107). 배터리 모드의 판단은 충전상태의 검출과 동시에 수행될 수 있다. V0는 만충전 상태의 전압을 나타내고, V1은 만충전 상태의 약 60%의 전압을 지칭할 수 있다. 배터리 모듈의 동작 상태가 충전모드로 판단된 배터리 모듈은 기설정된 기준전압(V2)에 도달할 때까지 전기차에서 자가발전된 전력에 의해 충전될 수 있다.
배터리 모듈 충전부는 구동모드 배터리 모듈의 충전상태가 방전 임계치 이하로 낮아지는지를 지속적으로 감시할 수 있다(S107, S103 및 S105).
다음, 방전 임계치 이하의 충전상태를 나타내는 구동모드 배터리 모듈이 존재하면, 배터리 모듈 충전부는 충전모드 배터리 모듈 중 충전상태가 기준전압(V2) 이상인 배터리 모듈을 상기 구동모드 배터리 모듈과 교체가 가능한지를 판단할 수 있다(S109).
다음, 배터리 교체가 가능한 경우, 배터리 모듈 충전부는 스위칭 제어부를 통해 기준전압 이상의 충전상태를 가진 특정 충전모드 배터리 모듈을 방전 임계치 이하의 충전상태를 가진 배터리 모듈과 대체하여 구동모드 배터리 모듈을 재구성할 수 있다(S111).
본 실시예에서 구동모드 배터리 모듈의 재구성 동작(S111)은 전기차의 주정차 시 또는 주행 중인 제한적인 상황(급가속, 급제동, 오르막길, 내리막길 등의 운행 조건) 이외의 주행 환경하에서 재구성을 진행할 수 있다. 아울러 구동모듈 배터리 모듈의 재구성 동작은 운전자의 개시 명령, 배터리 모듈 충전부의 결정이나 BMS(42)의 결정에 의해 작동할 수 있다. 이러한 결정은 적어도 어느 하나의 구동모드 배터리 모듈의 충전상태가 방전 임계치 이하이거나 차량의 주행 환경이 제한적인 상황이 아닌 경우에 수행될 수 있다.
또한, 배터리 모듈의 구성 제어 흐름의 각 단계(S101 ~ S111)를 통해 구동모드 배터리 모듈을 관리 및 제어함으로써 전기차에 지속적인 구동전력을 안정적으로 공급할 수 있다.
도 8은 도 7의 방법에 채용할 수 있는 배터리 모듈의 충전 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 전기차 자가발전 구동 시스템은 배터리 모듈 충전부와 배터리부의 배터리 모듈 충전과 배터리 모듈 재구성을 통해 배터리 모듈의 충전 제어를 수행할 수 있다.
BMS를 통해 특정 배터리 모듈(모드 변경된 배터리 모듈을 포함함)의 충전상태가 방전 임계치 이하로 낮아진 것으로 감지되면, 배터리 모듈 충전부는 충전모드 배터리 모듈을 충전 제어 흐름에 따라 충전과정을 진행할 수 있다.
먼저, 배터리 모듈 충전부는 충전모드 배터리 모듈을 고속충전할 수 있다(S201).
배터리 모듈 충전부는 배터리 모듈에 대한 실시간 충전상태에 대한 정보를 획득하여 충전모드 배터리 모듈의 기준전압(V2) 도달 여부를 판단할 수 있다(S203). 기준전압(V2)은 정전류 충전 구간과 전전압 충전 구간의 경계 전압일 수 있다.
충전모드 배터리 모듈의 충전상태가 기준전압에 도달하면, 배터리 모듈 충전부는 충전전류를 낮추어 배터리 모듈을 완속 충전할 수 있다(S205, Optional).
다음, 배터리 모듈의 충전이 완료되면, 배터리 모듈 충전부는 충전완료 제어(S207)를 수행할 수 있다. 충전완료 제어는 충전전력선에 연결된 배터리 모듈의 접속을 해제하여 분리하는 것을 포함할 수 있다. 충전완료에 대한 정보는 구동모드 배터리 모듈의 교체 판단 및 배터리 모듈 재구성 판단에 이용될 수 있다.
전술한 실시예들에 의하면, 자가발전 구동 시스템을 탑재한 전기차는 주행 시 내부 발전을 통해 배터리 모듈을 효과적으로 충전할 수 있다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기차 자가발전 구동 시스템의 블록도이다.
도 9를 참조하면, 본 실시예에 따른 전기차 자가발전 구동 시스템(100A)은 배터리부(40)의 구동모드 배터리 모듈들을 통해 구동발전부(10) 내 구동모터에 전력을 공급하고 구동모터를 통해 전기차의 감속기(200)에 연결된 바퀴(400)에 구동력을 제공한다.
또한, 전기차 자가발전 구동 시스템(100A)은 구동모터의 회전축에 결합하는 구동발전부(10) 내 발전기에서 생산되는 전기를 사용하여 배터리부(40)의 충전모드 배터리 모듈을 충전하고, 구동모드 배터리 모듈의 충전상태가 기준치 이하일 때 해당 배터리 모듈을 충전모드 배터리 모듈로 대체할 수 있다.
이를 위해 전기차 자가발전 구동 시스템(100A)은 구동발전부(10), 컨트롤러(30A) 및 배터리부(40)를 구비할 수 있다. 구동발전부(10)와 배터리부(40)는 전술한 실시예들 중 어느 하나의 구동발전부와 배터리부에 각각 대응될 수 있다.
특히, 전기차 자가발전 구동 시스템(100A)은 전기차에서 브레이크 동작 시에 발생하는 입력신호에 기초하여 구동발전부(10) 내 발전기를 동작시킬 수 있다. 이때, 발전기는 보조 브레이크 겸용 자가발전 장치로 동작할 수 있다. 이를 위해, 컨트롤러(30A)는 전기차의 전자제어장치로부터 차량 브레이크 관련 입력신호를 획득할 수 있다. 컨트롤러(30A)는 입력신호 수신단자, 입력신호 독출유닛 등을 구비할 수 있다.
또한, 컨트롤러(30A)는 충전 제어부, 스위치 제어부 또는 이들 모두를 포함할 수 있다. 또한, 구현에 따라 컨트롤러(30A)는 전기차에 탑재되는 전자제어장치 중 하나이거나 그 일부로 구성될 수 있다. 컨트롤러(30A)는 배터리부(40)의 배터리 관리 시스템과 통신하며 전기차 자가발전 구동 시스템을 작동시키거나 전기차 내 전력을 운영할 수 있다. 이를 위해, 컨트롤러(30A)는 컴퓨팅 장치를 포함하거나 프로세서와 메모리를 구비할 수 있다.
프로세서는 적어도 하나 이상의 중앙 처리 장치 또는 코어를 포함할 수 있고, 중앙처리장치(CPU)는 MCU(micro control unit)와 주변 장치(외부 확장 장치를 위한 집적회로)가 함께 배치되는 SOC(system on chip)로 구현될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 그리고 코어는 처리할 명령어를 저장하는 레지스터(register)와, 비교, 판단, 연산을 담당하는 산술논리연산장치(arithmetic logical unit, ALU)와, 명령어의 해석과 실행을 위해 CPU를 내부적으로 제어하는 제어부(control unit)와, 이들을 연결하는 내부 버스 등을 구비할 수 있다.
또한, 프로세서는 하나 이상의 데이터 프로세서, 이미지 프로세서 또는 코덱(CODEC)을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 프로세서는 주변장치 인터페이스와 메모리 인터페이스를 구비할 수 있다. 주변장치 인터페이스는 프로세서와 입출력 시스템 및 다른 주변 장치를 연결하고, 메모리 인터페이스는 프로세서와 메모리를 연결할 수 있다.
메모리는 비휘발성 랜덤 액세스 메모리(non-volatile RAM, NVRAM), DRAM(dynamic random access memory) 등의 반도체 메모리, 하드디스크 드라이브(hard disk drive, HDD), 광 저장 장치, 플래시 메모리 등으로 구현될 수 있고, 전기차 자가발전 구동 시스템의 작동방법을 구현하기 위한 소프트웨어 모듈들 외에 운영체제, 프로그램, 명령어 집합 등을 저장할 수 있다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기차 자가발전 구동 시스템의 블록도이다.
도 10은 참조하면, 본 실시예에 따른 전기차 자가발전 구동 시스템(100B)은 배터리부(40A)의 구동모드 배터리 모듈들을 통해 구동모터에 전력을 공급하고 구동발전부(10) 내 구동모터를 통해 전기차의 감속기(200)에 연결된 바퀴(400)에 구동력을 제공하며, 구동모터의 회전축에 결합하는 구동발전부(10) 내 발전기의 전기를 사용하여 충전모드 배터리 모듈을 충전하고, 구동모드 배터리 모듈의 충전상태가 기준치 이하일 때 해당 배터리 모듈을 충전모드 배터리 모듈로 대체할 수 있다. 이를 위해, 전기차 자가발전 구동 시스템(100B)은 구동발전부(10) 및 배터리부(40A)를 포함할 수 있다.
구동발전부(10)는 구동모터와 이에 결합하는 발전기를 구비하고, 구동모터의 동작에 따라 전기차에서 직접 자가발전을 수행할 수 있다. 구동발전부(10)는 전술한 실시예들 중 어느 하나의 구동발전부에 대응할 수 있다.
배터리부(40A)는 배터리 팩 및 배터리 관리 시스템(BMS, 42A)를 구비할 수 있다. 배터리 팩은 내부에 배터리 모듈들, 구동전력선, 충전전력선, 스위칭 박스, 냉각 수단 등을 포함할 수 있다. 구현에 따라 구동전력선, 충전전력선, 스위칭 박스 또는 이들의 조합은 배터리 팩 내부에 설치되지 않고 외부에 결합될 수 있다.
BMS(42A)는 기존의 배터리 관리 시스템들 중 어느 하나의 구조 및 기능을 구비할 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 BMS(42A)는 배터리 모듈들, 구동전력선 및 충전전력선 간의 접속 및 분리의 선택적인 제어 혹은 스위칭 박스 내 스위칭 소자들의 동작 제어를 위해 배터리 모듈 충전 제어(battery module charging control unit, BMCC) 유닛(30A)를 포함할 수 있다. BMCC 유닛(30A)은 전술한 실시예의 배티러 모듈 충전부에 대응하며 그 기능을 수행할 수 있다.
전술한 실시예에 의하면, 전기차의 1회 충전 주행거리를 연장할 수 있는 효과가 있다.
일례로, 1회 배터리 팩 충전(구동모드 배터리 모듈(10개), 각 충전량(SoC) 80% 이상; 충전모드 배터리 모듈(4개), 각 SoC 40% 수준) 후 주행중인 전기차의 구동 발전부에 의해 생산한 전기를 이용하여 충전모드 배터리 모듈을 충전하며, 충전모드 배터리 모듈의 SoC가 일정 수준 이상 충전된 경우에 임의의 구동모드 배터리 모듈을 교체하여 구동모드 배터리 팩을 재구성하며 주행하는 경우를 표 1에 예시하였다.
Figure 112018020550577-pat00001
표 1에 예시된 자가발전 구동 시스템을 적용한 전기차의 주행 중 충전모드 배터리 모듈은 누적 에너지를 방전하여 구동하며 발전 및 충전과 배터리 팩 재구성을 지속 수행한 것으로 확인되었다.
상기 시뮬레이션은 배터리의 안정적인 충방전 및 배터리 수명을 고려하여 배터리 셀의 SoC 20~80% 수준의 영역에서 운용하는 것으로 설정하였으며, 배터리의 누적 충전량은 초기 구동모드 배터리의 운용용량 SoC 600% (SoC 운용구간 대역 60% * 구동모드 배터리 개수(10))의 5배 수준의 구동모드 배터리 누적 방전전력량 (SoC 2,990~3,096%)을 갖는 것으로 나타났다.
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도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기차 자가발전 구동 시스템을 이용하는 전기차 운용 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 11을 참조하면, 본 실시예에 따른 전기차 자가발전 구동 시스템을 이용하는 전기차 운영 방법은, 전기차에서 브레이크 동작 시에 발생하는 입력신호를 수신하는 단계(1101); 상기 입력신호에 대응하는 값 또는 레벨을 미리 설정된 값 또는 레벨과 비교하는 단계(1102); 상기 비교하는 단계에서의 결과에 따라 상기 전기차의 구동 모터에 결합하여 회전하는 발전기의 동작을 활성화하는 단계(1103); 및 상기 발전기의 동작에 의해 발생하는 전기에너지를 상기 전기차의 구동모터에 전력을 공급하는 배터리부의 충전 배터리에 충전하는 단계(1104)를 포함한다.
상기 수신하는 단계(1101)는, 상기 전기차의 주행 속도가 일정 속도 이상이면서 상기 전기차의 브레이크가 동작될 때 상기 브레이크의 동작에 따른 입력신호를 획득할 수 있다.
상기 활성화하는 단계는(1103), 상기 비교하는 단계에서의 비교 결과에서 상기 입력신호가 미리 설정된 값 또는 레벨 이상일 때 상기 구동 발전부의 발전 동작을 활성화할 수 있다.
전술한 전기차 운영 방법에 이용되는 전기차 자가발전 구동 시스템은, 배터리에 충전된 전기에너지를 이용하여 주행하는 전기차의 자가발전 구동 시스템으로서, 상기 전기차의 바퀴에 구동력을 제공하는 구동모터; 상기 구동모터의 구동축에 연결되고 상기 구동축의 회전력에 의해 전기를 생성하는 구동 발전부; 상기 구동모터에 구동전력을 공급하는 배터리부; 및 상기 구동 발전부의 제1 발전 전기로 상기 배터리부의 충전모드 배터리 모듈을 충전하는 배터리 모듈 충전부를 포함하고, 상기 배터리 모듈 충전부는, 상기 전기차의 주행 속도가 미리 설정된 속도 이상에서 브레이크에 의해 강제 감속할 때만 상기 구동 발전부를 동작시키도록 구현될 수 있다. 여기서 구동발전부는 보조 브레이크로서 동작하면서 자가발전 장치로 동작할 수 있다.
상기 배터리 모듈 충전부는 상기 전기차의 브레이크가 동작될 때 상기 브레이크의 동작에 따른 입력신호를 획득하고, 상기 입력신호가 미리 설정된 값 또는 레벨 이상일 때 상기 구동 발전부의 발전 동작을 활성화시킬 수 있다.
또한, 전기차 자가발전 구동 시스템은 상기 전기차의 전방에 발생하는 공기저항을 소멸하면서 발생한 풍속을 이용하여 회전하는 회전날개를 구비하고 상기 회전날개의 회전력에 의해 전기에너지를 생성하는 풍력 발전부, 또는 상기 전기차의 외표면에 노출되고 태양에너지에 의해 전기에너지를 생성하는 태양광 발전부를 더 포함할 수 있다.
풍력 발전부는 등록실용신안공보 제20-0361123호(2004년08월27일 등록)의 "전기자동차용 풍력발전기", 등록실용신안공보 제20-0365854호(2004년10월15일 등록)의 "전기자동차용 자가발전장치", 공개특허공보 제2001-0067845호의 "차세대 전기자동차용 전원발생장치" 등에 기재된 대응 구성을 이용할 수 있다.
태양광 발전부는 전기차의 적어도 일부 표면에 태양전지판이나 태양전지모듈을 설치하고 태양전지모듈이 충전제어부를 통해 배터리부에 연결되도록 이루어질 수 있다.
전술한 구동 발전부, 풍력 발전부 및 태양광 발전부 중 적어도 어느 하나에서 생성되는 전기에너지는 배터리 모듈 충전부에 의해 배터리부에 속한 서로 독립적인 충전 배터리들에 각각 충전되고 관리될 수 있다. 또한, 배터리 모듈 충전부 내 배터리 접속 스위치 제어 장치는 충전 배터리들을 배터리부의 적어도 일부 배터리와 전기적으로 대체하여 전기차의 구동동력의 일부로 사용되도록 동작할 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 보조발전부에 대한 구성요소를 추가하지 않은 구성을 설명하였지만, 본 발명을 그러한 구성으로 한정되지 않고, 보조발전부(도 1 참조)를 구동발전부 내에 추가하거나 구동발전부와 컨트롤러 사이에 추가할 수 있다.
전술한 실시예들에 의하면, 전기차의 구동모터에 연결된 발전기에 의해 배터리 팩 내 충전모드 배터리 모듈을 충전하고, 배터리 팩 내 구동모드 배터리 모듈의 상태에 따라 모듈단위로 충전모드 배터리 모듈을 대체하도록 제어함으로써 전기모터를 구동모터로 사용하는 승용차, 상용차, 버스 등 다양한 종류의 전기차에서 효과적으로 구동전력을 공급할 수 있다.
또한, 4륜 구동 차량의 특성에 맞도록 자가발전 구동 시스템을 확대 및 응용하여 4륜 구동 차량에 적용할 수 있다. 이와 같이, 본 실시예에 의하면 무공해 자동차(Zero Emission Vehicle)를 구현함으로써 대기오염, 지구온난화 및 기후변화에 대한 예방 및 개선 효과를 기대할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 자가발전 구동(PLT: Power-loop train) 시스템
200 : 감속기 300 : 구동축
400 : 바퀴 10 : 구동 발전부
11 : 구동모터 12 : 발전기
13 : 구동모터 회전축 20 : 보조 발전부
21 : 발전기 22 : 벨트 (혹은 체인)
30 : 배터리 모듈 충전부
31 : 전압/전류 센서 및 충전제어 장치 (충전 제어부)
32 : 배터리 접속 스위치 제어 장치 (스위칭 제어부)
35 : 구동전력선(직렬 접속) 36 : 충전전력선(병렬 접속)
37 : 배터리 접속 스위치 40 : 배터리부
41 : 배터리 팩 42 : BMS
43 : 인버터

Claims (5)

  1. 배터리에 충전된 전기에너지를 이용하여 주행하는 전기차의 자가발전 구동 시스템으로서,
    상기 전기차의 바퀴에 구동력을 제공하는 구동모터;
    상기 구동모터의 회전축에 연결되는 발전기를 구비하고 상기 회전축의 회전력에 의해 전기를 생성하는 구동 발전부;
    충전모드 배터리 모듈과 상기 구동모터에 구동전력을 공급하는 구동모드 배터리 모듈을 구비하는 배터리부;
    상기 구동 발전부의 제1 발전 전기로 상기 배터리부의 충전모드 배터리 모듈을 충전하는 배터리 모듈 충전부를 포함하고,
    상기 배터리부의 배터리 관리 시스템(battery management system, BMS) 또는 상기 배터리 모듈 충전부는, 상기 전기차의 주행 속도가 일정 속도 이상일 때 동작하며,
    상기 배터리부의 배터리 팩을 구성하는 배터리 모듈의 개수는 상기 구동모드 배터리의 모듈 개수(m)와 상기 충전모드 배터리의 모듈 개수(k)로 구성되며, 상기 구동모드 배터리의 모듈 개수는 상기 충전모드 배터리의 모듈 개수보다 많으며, 상기 배터리 팩은 상기 충전모드 배터리 모듈을 포함하도록 구동모드 배터리 모듈을 재구성하는 재구성 회로를 구비하고,
    상기 전기차의 전자제어장치가, 상기 전기차의 브레이크 동작 시에 발생하는 입력신호를 수신하고, 상기 입력신호에 대응하는 값 또는 레벨을 미리 설정된 값 또는 레벨과 비교하고, 비교 결과에 따라 상기 배터리 모듈 충전부에 의해 상기 발전기에서 발생하는 전기에너지가 상기 충전모드 배터리에 충전되는, 전기차 자가발전 구동 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전기차의 전방에 발생하는 공기저항을 소멸하면서 발생한 풍속을 이용하여 회전하는 회전날개를 구비하고 상기 회전날개의 회전력에 의해 전기에너지를 생성하는 풍력 발전부, 또는
    상기 전기차의 외표면에 노출되고 태양에너지에 의해 전기에너지를 생성하는 태양광 발전부를 더 포함하며,
    상기 구동 발전부, 상기 풍력 발전부 및 상기 태양광 발전부에서 생성되는 전기에너지는 상기 배터리 모듈 충전부에 의해 서로 독립적인 충전 배터리들에 각각 충전되고 관리되며,
    상기 배터리 모듈 충전부 내 배터리 접속 스위치 제어 장치는 상기 충전 배터리들을 상기 배터리부의 적어도 일부 배터리와 전기적으로 대체하여 사용하는, 전기차 자가발전 구동 시스템.
  4. 삭제
  5. 삭제
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