KR102186618B1 - 전기 자동차 충방전 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시 형태는 차량 주행 중의 역학 에너지를 전기로 변환시켜 출력하는 제너레이터; 상기 제너레이터를 통해 제공되는 전기에 의해 충전되는 제1배터리; 상기 제너레이터를 통해 제공되는 전기에 의해 충전되는 제2배터리; 상기 제1배터리 또는 제2배터리에서 제공되는 구동 전력을 이용하여 차량 바퀴를 회전시키는 구동 모터; 및 상기 제1배터리에서 방전되는 제1배터리 전압이 상기 구동 모터로 제공되는 동안에는 상기 제너레이터에서 제공되는 전기가 제2배터리로 제공되도록 하여 제2배터리 충전이 이루어지도록 하는 제1스위칭 모드로 제어하며, 상기 제2배터리에서 방전되는 제2배터리 전압이 상기 구동 모터로 제공되는 동안에는 상기 제너레이터에서 제공되는 전기가 제1배터리로 제공되도록 하여 제1배터리 충전이 이루어지도록 하는 제2스위칭 모드로 제어하는 충방전 전환 제어부;를 포함할 수 있다.

Description

전기 자동차 충방전 장치{Apparatus for charging electric vehicle}
본 발명은 전기 자동차 충방전 장치로서, 전기 자동차의 배터리를 충전 또는 방전하는 전기 자동차 충방전 장치에 관한 것이다.
최근 환경문제와 에너지 자원 문제가 중요시되는 가운데 이를 해결하기 위한 전기 자동차(Electric Vehicle)가 미래의 운송수단으로 각광받고 있다. 전기 자동차는 장래의 자동차 공해 및 에너지 문제를 해결할 수 있는 가장 가능성 높은 대안이라는 점에서 연구가 활발하게 진행되고 있다.
전기 자동차(Electric vehicle; EV)는 주로 배터리의 전원을 이용하여 AC 또는 DC 모터를 구동하여 동력을 얻는 자동차로서, 크게 배터리전용 전기 자동차와 하이브리드 전기자동차로 분류되며, 배터리전용 전기 자동차는 배터리의 전원을 이용하여 모터를 구동하고 전원이 다 소모되면 재충전하고, 하이브리드 전기 자동차는 엔진을 가동하여 전기발전을 하여 배터리에 충전을 하고 이 전기를 이용하여 전기모터를 구동하여 차를 움직이게 할 수 있다.
또한, 하이브리드 전기 자동차는 직렬 방식과 병렬 방식으로 분류될 수 있으며, 직렬 방식은 엔진에서 출력되는 기계적 에너지는 발전기를 통하여 전기적 에너지로 바뀌고 이 전기적 에너지가 배터리나 모터로 공급되어 차량은 항상 모터로 구동되는 자동차로 기존의 전기 자동차에 주행거리의 증대를 위하여 엔진과 발전기를 추가시킨 개념이고, 병렬 방식은 배터리 전원으로도 차를 움직이게 할 수 있고 엔진(가솔린 또는 디젤)만으로도 차량을 구동시키는 두 가지 동력원을 사용하고 주행조건에 따라 병렬 방식은 엔진과 모터가 동시에 차량을 구동할 수도 있다.
그런데 기존의 직렬 방식의 하이브리드 전기 자동차의 경우, 배터리가 완전히 방전되는 경우 더 이상 전기 자동차를 구동시킬 수 없는 한계를 가지는 문제가 있다.
한국공개특허 10-2009-0064307
본 발명의 기술적 과제는 전기 자동차의 배터리 전력을 효율적으로 사용 및 충전시킬 수 있는 수단을 제공하는데 있다.
본 발명의 실시 형태는 차량 주행 중의 역학 에너지를 전기로 변환시켜 출력하는 제너레이터; 상기 제너레이터를 통해 제공되는 전기에 의해 충전되는 제1배터리; 상기 제너레이터를 통해 제공되는 전기에 의해 충전되는 제2배터리; 상기 제1배터리 또는 제2배터리에서 제공되는 구동 전력을 이용하여 차량 바퀴를 회전시키는 구동 모터; 및 상기 제1배터리에서 방전되는 제1배터리 전압이 상기 구동 모터로 제공되는 동안에는 상기 제너레이터에서 제공되는 전기가 제2배터리로 제공되도록 하여 제2배터리 충전이 이루어지도록 하는 제1스위칭 모드로 제어하며, 상기 제2배터리에서 방전되는 제2배터리 전압이 상기 구동 모터로 제공되는 동안에는 상기 제너레이터에서 제공되는 전기가 제1배터리로 제공되도록 하여 제1배터리 충전이 이루어지도록 하는 제2스위칭 모드로 제어하는 충방전 전환 제어부;를 포함할 수 있다.
상기 충방전 전환 제어부는, 상기 제1스위칭 모드로 동작 중에 감지되는 제1배터리 전압이 미리 설정된 기준 전압 미만인 경우 상기 제2스위칭 모드로 전환하며, 상기 제2스위칭 모드로 동작 중에 감지되는 제2배터리 전압이 상기 기준 전압 미만인 경우 상기 제1스위칭 모드로 전환할 수 있다.
상기 기준 전압은, 차량 주변의 대기 온도에 따라서 크기가 결정됨을 특징으로 할 수 있다.
차량 주변의 대기 온도가 기준 온도 범위 이내인 경우 제1기준 전압으로 결정되며, 차량 주변의 대기 온도가 상기 기준 온도 범위를 벗어난 경우 제1기준 전압보다 높은 제2기준 전압으로 결정됨을 특징으로 할 수 있다.
상기 전기 자동차는, 외부 전원에 의하여 충전되는 제3배터리;를 포함하며, 상기 충방전 전환 제어부는, 제1스위칭 모드에서 제2스위칭 모드로 전환하는 시점에 제2배터리 전압이 상기 기준 전압 미만이거나, 또는 제2스위칭 모드에서 제1스위칭 모드로 전환하는 시점에 상기 제1배터리 전압이 상기 기준 전압 미만인 경우, 상기 제3배터리에서 공급되는 제3배터리 전압을 상기 구동 모터에 공급하는 제3스위칭 모드로 동작할 수 있다.
상기 충방전 전환 제어부는, 상기 제3스위칭 모드로 동작하는 동안, 상기 제너레이터에서 제공되는 전기가 제1배터리 및 제2배터리로 제공되도록 하여 제1배터리 충전 및 제2배터리 충전이 이루어지도록 할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면 전기 자동차의 배터리를 두 개 이상 구비하여 번갈아 충전 및 출력되도록 함으로서, 전기 자동차의 배터리 전력을 효율적으로 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 제1배터리와 제2배터리를 구비한 전기 자동차의 구성 블록도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 제1스위칭 모드를 도시한 그림.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 제2스위칭 모드를 도시한 그림.
도 4는 온도 대비 배터리 효율을 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제3배터리를 구비한 전기 자동차의 구성 블록도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 제3스위칭 모드를 도시한 그림.
이하, 본 발명의 장점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은, 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것으로, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 제1배터리와 제2배터리를 구비한 전기 자동차의 구성 블록도이며, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 제1스위칭 모드를 도시한 그림이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 제2스위칭 모드를 도시한 그림이며, 도 4는 온도 대비 배터리 효율을 나타낸 그래프이다.
본 발명은 전기 자동차 내부에 1조, 2조의 충전식 배터리를 장착한다. 1조의 배터리로 전기 자동차를 운행하고, 다른 2조의 배터리로 운행중에 제너레이터(300)에 의하여 충전된다. 1조의 배터리가 소모되면 2조의 배터리로 전환시켜 운행하여 1조의 배터리는 다시 충전이 시작된다.
이를 위하여 본 발명의 전기 자동차 충방전 장치는, 도 1에 도시한 바와 같이 제너레이터(300), 제1배터리(110), 제2배터리(120), 구동 모터(200), 및 충방전 전환 제어부(400)를 포함할 수 있다.
제너레이터(300)는, 차량 주행 중의 역학 에너지를 전기로 변환시켜 출력하는 모듈이다. 즉, 차량 주행으로 인한 모터의 회전 등의 역학 에너지가 제너레이터(300)에 의하여 발전 전력으로 변환되어 출력된다.
제1배터리(110)는, 제너레이터(300)를 통해 제공되는 전기에 의해 충전되는 충방전체이다.
제2배터리(120)는 제너레이터(300)를 통해 제공되는 전기에 의해 충전되는 충방전체이다. 이러한 제1배터리(110)와 제2배터리(120)는 리튬인산철 배터리, 리튬이온 배터리 등의 다양한 배터리 모두 해당될 수 있다.
구동 모터(200)는, 제1배터리(110) 또는 제2배터리(120)에서 제공되는 구동 전력을 이용하여 차량 바퀴를 회전시킨다. 전기자동차에 사용되는 구동 모터(200)는, 로터와 스태터를 자화와 쉽게되는 처리를 하는 것으로 전기에너지와 자기에너지의 변환효율을 높인 얇은 동판재료(전자동판)를 사용한 적층구조가 일반적이다. 스태터는 코일에 통전하는 동안만 강한 자화(磁化)하여 극성을 바꾸는 특성상 로터는 내부에 매립한 영구자석의 자력을 고효율로 전달하기 위해서 전자동판을 사용한다. 일반적인 주류는 동판 1장당 두께는 0.5mm이다. 얇게 제작할수록 고회전형 모터에 적합한 특성을 가지게 된다.
충방전 전환 제어부(400)는, 제1배터리(110)로 전기 자동차를 운행하고, 다른 제2배터리(120)로 운행중에 제너레이터(300)에 의하여 충전된다. 제1배터리(110)가 소모되면 제2배터리(120)로 전환시켜 운행하여 제1배터리(110)는 다시 충전이 시작된다.
이를 위하여 충방전 전환 제어부(400)는, 제1스위칭 모드 또는 제2스위칭 모드로 동작한다. 제1스위칭 모드는, 도 2에 도시한 바와 같이, 제1배터리(110)에서 방전되는 제1배터리 전압이 구동 모터(200)로 제공되는 동안에는 제너레이터(300)에서 제공되는 전기가 제2배터리(120)로 제공되도록 하여 제2배터리 충전이 이루어지도록 제어하는 모드이다. 또한 제2스위칭 모드는, 도 3에 도시한 바와 같이, 제2배터리(120)에서 방전되는 제2배터리 전압이 구동 모터(200)로 제공되는 동안에는 제너레이터(300)에서 제공되는 전기가 제1배터리(110)로 제공되도록 하여 제1배터리 충전이 이루어지도록 하는 모드이다.
따라서 제1배터리(110)를 이용하여 전기 자동차 구동시에는 제2배터리(120)의 충전이 이루어지도록 하며, 반대로 제2배터리(120)를 이용하여 전기 자동차 구동시에는 제1배터리(110)의 충전이 이루어지도록 함으로써, 효율적인 충전 및 방전이 이루어지도록 할 수 있다.
한편, 충방전 전환 제어부(400)는, 제1스위칭 모드로 동작 중에 감지되는 제1배터리 전압이 미리 설정된 기준 전압 미만인 경우 제2스위칭 모드로 전환하며, 반대로, 제2스위칭 모드로 동작 중에 감지되는 제2배터리 전압이 기준 전압 미만인 경우 제1스위칭 모드로 전환한다.
예를 들어, 기준 전압이 'A' 전압 크기인 경우, 제1스위칭 모드로 동작 중에 구동 모터(200)를 구동하는 제1배터리 전압이 'A' 전압보다 작을 경우 제2스위칭 모드로 전환하여 제1배터리(110)를 충전하고 제2배터리(120)를 이용하여 구동 모터(200)를 동작시킨다. 반대로 제2스위칭 모드로 동작 중에 구동 모터(200)를 구동하는 제2배터리 전압이 'A' 전압보다 작을 경우 제1스위칭 모드로 전환하여 제2배터리(120)를 충전하고 제1배터리(110)를 이용하여 구동 모터(200)를 동작시킨다.
특히, 본 발명은 상기의 기준 전압이, 차량 주변의 대기 온도에 따라서 크기가 결정되도록 한다. 구체적으로는, 차량 주변의 대기 온도가 기준 온도 범위 이내인 경우 제1기준 전압으로 결정되도록 하며, 반대로 차량 주변의 대기 온도가 기준 온도 범위를 벗어난 경우 제1기준 전압보다 높은 제2기준 전압으로 결정되도록 한다.
이는, 전기 배터리의 성능이 온도에 연관되기 때문이다. 상술하면, 전기 자동차의 배터리는 차량 시동시 및 차량에 구비되어 있는 각종 전기장치에 전원을 공급하며, 차량의 주행시 및 외부의 전원충전장치에 의해 재충전된다. 이러한 배터리는 도 4와 같이 온도에 따라 충전효율이 변화하여 약 25℃부근에서 95% 최고의 충전효율을 나타낸다. 전기 자동차의 배터리 근처의 대기 온도가 25℃ 부근을 벗어날 경우 전기 자동차의 배터리의 충전 효율이 떨어지게 된다.
따라서 25℃를 기준으로 24℃ ~ 26℃를 기준 온도 범위라 할 경우, 24℃ ~ 26℃의 기준 온도 범위 이내에서는 충전 효율이 좋기 때문에 낮은 제1기준 전압에서 스위칭 전환해도 상관이 없다. 하지만, 24℃ ~ 26℃의 기준 온도 범위를 벗어날 경우, 충전 효율이 떨어지기 때문에, 배터리의 출력되는 전압이 낮아지기 때문에 제1기준 전압보다 더 높은 제2기준 전압에서 선제적으로 스위칭 전환하는 것이다.
한편, 상기의 설명에서는, 제너레이터(300)에 의해 충전되는 제1배터리(110)와 제2배터리(120)를 구비한 하이브리드 전기 자동차 예시를 설명하였는데, 제너레이터(300)가 아닌 외부 전원에 의하여 충전되는 제3배터리(130)가 추가로 더 구비될 수 있다. 이하 도 5 및 도 6과 함께 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제3배터리를 구비한 전기 자동차의 구성 블록도이며, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 제3스위칭 모드를 도시한 그림이다.
제3배터리(130)는 자동차의 엔진의 제너레이터(300)가 아닌 외부 전원에 의하여 직접 충전되는 배터리로서, 국가 전력망 또는 분산전원으로부터 배터리 충전을 위한 전력을 공급받을 수 있다.
충방전 전환 제어부(400)는, 도 6에 도시한 바와 같이 제1스위칭 모드에서 제2스위칭 모드로 전환하는 시점에 제2배터리 전압이 기준 전압 미만이거나, 또는 제2스위칭 모드에서 제1스위칭 모드로 전환하는 시점에 제1배터리 전압이 기준 전압 미만인 경우, 제3배터리(130)에서 공급되는 제3배터리 전압을 상기 구동 모터(200)에 공급하는 제3스위칭 모드로 동작한다. 즉, 제1스위칭 모드나 제2스위칭 모드 전환 시점에, 제1배터리(110)와 제2배터리(120)의 출력 전압이 기준 전압 미만인 경우, 외부 전원에 의해 충전된 제3배터리(130)를 임시적으로 사용하는 것이다. 따라서 비록, 제너레이터(300)에 의하여 충전되는 제1배터리(110)와 제2배터리(120)의 충전 전압이 모두 충분하지 않는 경우라도, 외부 전원에 의하여 충전되어 있는 제3배터리(130)를 이용하여 전기 자동차를 계속 구동시킬 수 있게 된다.
또한 충방전 전환 제어부(400)는, 제3스위칭 모드로 동작하는 동안, 제너레이터(300)에서 제공되는 전기가 제1배터리(110) 및 제2배터리(120)로 제공되도록 하여 제1배터리 충전 및 제2배터리 충전이 이루어지도록 한다. 제1배터리(110) 및 제2배터리(120)의 충전이 완료되면, 제3스위칭 모드에서 제1스위칭 모드 또는 제2스위칭 모드로 전환하여 복귀하게 된다.
상술한 본 발명의 설명에서의 실시예는 여러가지 실시가능한 예중에서 당업자의 이해를 돕기 위하여 가장 바람직한 예를 선정하여 제시한 것으로, 이 발명의 기술적 사상이 반드시 이 실시예만 의해서 한정되거나 제한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 변화와 변경 및 균등한 타의 실시예가 가능한 것이다.
110:제1배터리
120:제2배터리
200:구동 모터
300:제너레이터
400:충방전 전환 제어부

Claims (6)

  1. 차량 주행 중의 역학 에너지를 전기로 변환시켜 출력하는 제너레이터;
    상기 제너레이터를 통해 제공되는 전기에 의해 충전되는 제1배터리;
    상기 제너레이터를 통해 제공되는 전기에 의해 충전되는 제2배터리;
    상기 제1배터리 또는 제2배터리에서 제공되는 구동 전력을 이용하여 차량 바퀴를 회전시키는 구동 모터; 및
    상기 제1배터리에서 방전되는 제1배터리 전압이 상기 구동 모터로 제공되는 동안에는 상기 제너레이터에서 제공되는 전기가 제2배터리로 제공되도록 하여 제2배터리 충전이 이루어지도록 하는 제1스위칭 모드로 제어하며, 상기 제2배터리에서 방전되는 제2배터리 전압이 상기 구동 모터로 제공되는 동안에는 상기 제너레이터에서 제공되는 전기가 제1배터리로 제공되도록 하여 제1배터리 충전이 이루어지도록 하는 제2스위칭 모드로 제어하는 충방전 전환 제어부;를 포함하고,
    상기 충방전 전환 제어부는,
    상기 제1스위칭 모드로 동작 중에 감지되는 제1배터리 전압이 미리 설정된 기준 전압 미만인 경우 상기 제2스위칭 모드로 전환하며,
    상기 제2스위칭 모드로 동작 중에 감지되는 제2배터리 전압이 상기 기준 전압 미만인 경우 상기 제1스위칭 모드로 전환하는 제어를 수행하고,
    상기 기준 전압은,
    차량 주변의 대기 온도에 따라서 크기가 결정되며,
    차량 주변의 대기 온도가 기준 온도 범위 이내인 경우 제1기준 전압으로 결정되며,
    차량 주변의 대기 온도가 상기 기준 온도 범위를 벗어난 경우 제1기준 전압보다 높은 제2기준 전압으로 결정되고,
    전기 자동차는,
    외부 전원에 의하여 충전되는 제3배터리;를 포함하며,
    상기 충방전 전환 제어부는, 제1스위칭 모드에서 제2스위칭 모드로 전환하는 시점에 제2배터리 전압이 상기 기준 전압 미만이거나, 또는 제2스위칭 모드에서 제1스위칭 모드로 전환하는 시점에 상기 제1배터리 전압이 상기 기준 전압 미만인 경우, 상기 제3배터리에서 공급되는 제3배터리 전압을 상기 구동 모터에 공급하는 제3스위칭 모드로 동작하고,
    상기 제3스위칭 모드로 동작하는 동안, 상기 제너레이터에서 제공되는 전기가 제1배터리 및 제2배터리로 제공되도록 하여 제1배터리 충전 및 제2배터리 충전이 이루어지도록 하고,
    상기 제1배터리 및 제2배터리의 충전이 완료되면 제3스위칭 모드에서 제1스위칭 모드 또는 제2스위칭 모드로 전환하여 복귀하도록 제어함을 특징으로 하는 전기 자동차 충방전 장치.
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