KR20030006269A - 슈퍼 커패시터를 구비한 에너지 저장 시스템의 제어 방법 - Google Patents

슈퍼 커패시터를 구비한 에너지 저장 시스템의 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기 자동차의 에너지 저장 시스템에 있어서, 슈퍼 커패시터를 구비하는 에너지 저장 시스템의 제어 방법에 관한 것이다. 본 발명은 전기 자동차의 에너지 저장 시스템 제어 방법으로, 배터리와 인버터 사이에 배터리에 병렬로 DC/DC 컨버터를 연결하고, DC/DC 컨버터에 슈퍼 커패시터를 직렬 연결하여 슈퍼 커패시터가 배터리를 보조하여 전력을 공급하도록 하며, DC/DC 컨버터는 주행 속도와 반비례하여 전압을 제어하도록 한다. 이러한 슈퍼 커패시터 및 DC/DC 컨버터를 사용함으로써, 전기 자동차의 동력 순시 응답성을 향상시킬 수 있고, 회생 에너지 흡수 효율이 향상되며, 배터리 용량을 축소시킬 수 있다.

Description

슈퍼 커패시터를 구비한 에너지 저장 시스템의 제어 방법 {METHOD FOR CONTROLLING ENERGY STORAGE SYSTEM WITH SUPER CAPACITOR}
본 발명은 전기 자동차의 에너지 저장 시스템에 관한 것으로, 특히 슈퍼 커패시터를 구비하는 에너지 저장 시스템의 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 내연 기관 자동차는 가솔린 또는 경유 등의 연료를 사용하여 이를 혼합 공기와 동시에 엔진의 내부에 흡입하여 연소시킴으로써 구동력을 발생시켜 자동차의 주행이 이루어진다. 또한 태양광 자동차는 태양광 에너지를 흡수하여 이를 전기적 에너지로 변환시켜 모터를 구동시킴으로써 자동차의 주행이 이루어진다.
이에 비해, 전기 자동차(electric vehicle, EV)는 배터리 등의 전기 에너지를 이용하여 전동기를 회전시켜 바퀴를 구동시킴으로써 자동차의 주행이 이루어진다. 전기 자동차는 소음 및 배출 가스등의 공해 문제를 해결할 수 있어서 새로운교통 수단으로 정착되기 위한 적극적인 연구 개발이 이루어지고 있다.
전기 자동차는 전기 에너지로 모터를 구동하고, 이를 동력 전달 장치를 통해 전달하여 바퀴를 회전시켜 주행하는 무공해 자동차로서, 구동에 필요한 동력을 공급하도록 배터리를 사용한다.
도 3은 종래의 전기 자동차의 에너지 전달 관계를 나타낸다. 도 3에 따르면 배터리는 그 내부에서 화학 반응으로 전기 에너지를 발생시키며, 인버터(inverter)는 직류인 전기 에너지를 교류로 바꾼다. 이어서 전기 에너지는 모터에서 운동 에너지로 변환되어 전기 자동차를 구동하게 된다.
교류 모터의 경우, 인버터는 직류 전압을 교류 전압으로 바꿔주며 전압을 조절한다. 직류 전압을 손쉽게 조절하는 방법은 저항을 만들어 주는 것이나 에너지손실이 많아 보다 효율 좋은 반도체 소자가 개발되고 있다. 인버터는 전지에서 얻은 직류 전압을 조정하는 작용을 하면서, 직류를 교류로 변환시키는 기능을 해야 한다. 인버터는 직류를 교류로 만들기 위해 변조기를 사용하므로 그 구조가 복잡하다.
회생 브레이크는 전기차의 에너지 소비를 줄이는 데 있어서 매우 중요한 역할을 한다. 전기 자동차에 사용하는 모터는 발전기와 구조가 같으므로 전류를 흘리면 회전하고 반대로 밖에서 힘을 걸어 회전시키면 발전기가 된다. 도 3에서 화살표(A)로 나타낸 바와 같이 건전지로부터 전력이 공급되는 경우 모터가 회전하며, 화살표(B)로 나타낸 바와 같이 차를 감속시키거나 제동을 할 때 즉 회생시, 그 힘으로 모터를 회전시켜 발전하게 하여 전기를 축전지로 보내는 장치를 만들면 전기소모량을 많이 줄일 수 있다.
이러한 이점에 불구하고, 종래의 전기 자동차는 도 3에 나타낸 바와 같이, 구동 모터의 동력을 배터리에서만 얻는 구조를 취하고 있다는 점에서 근본적으로 취약점을 지니고 있다. 즉 이와 같은 구조에서, 전기 자동차가 급제동 또는 급발진하는 것과 같이 급격한 변화를 겪거나 배터리 허용치 이상의 충전 전류가 배터리로 유입되는 경우, 배터리가 정상적으로 충전되지 못하며 그 충전 효율이 매우 낮아진다. 또한 배터리를 충전시키는 데 사용되지 못한 전류는 배터리에서 가스 발생 등의 현상을 유발시켜 온도를 상승시키거나 배터리의 사용 수명을 단축시키는 등의 나쁜 영향을 미친다.
본 발명은 이와 같은 종래의 전기 자동차가 가지는 문제점을 해결하기 위한 방안으로 슈퍼 커패시터가 구비된 에너지 저장 시스템을 제안한다. 본 발명에 있어서 슈퍼 커패시터를 배터리와 병렬로 연결하여 종래 기술이 가지고 있던 문제점을 극복할 수 있으며 이에 따라 배터리만을 에너지 저장 장치로서 구비한 종래의 자동차가 가지는 단점을 제거할 수 있다.
자동차의 시동을 거는 경우와 같이 순간적으로 매우 큰 전력을 필요로 하는경우, 그 크기나 무게 때문에 배터리를 사용하는 것은 곤란하므로, 본 발명에서는 작은 배터리와 슈퍼 커패시터를 병렬 연결하여 사용함으로써 저용량 배터리를 사용할 수 있고, 이에 따라 배터리의 전압 강하(drop) 현상을 제거하고, 배터리 수명을 연장할 수 있다.
도 1은 본 발명의 전기 자동차의 배터리 구조를 나타내는 개념도이고,
도 2는 DC/DC 컨버터가 전압을 제어하는 방식을 나타낸 모식도이고,
도 3은 종래의 전기 자동차의 에너지 전달 관계를 나타내는 개념도이다.
본 발명의 슈퍼 커패시터(super capacitor, 초고용량 축전기)는 종래의 전해 콘덴서와 신형 2차 전지가 가지지 못하는 영역에서 고유한 성능 및 특성을 가지는 에너지 저장 동력원이다. 고기능성 활성 탄소, 섬유, 고분자 화합물, 금속 화합물 등 첨단 신소재 기술의 발전에 따라 1990년대 이후부터 상용화를 목적으로 세계 각국에서 개발되어 왔으며, 1995년경부터 일본, 러시아, 미국 등에서 상품화되었다. 슈퍼 커패시터는 충전 및 방전 속도가 빠르고, 고전류를 순간적으로 저장하거나 공급할 수 있고, 넓은 작동 온도 범위에서도 충전 및 방전 효율이 매우 높으며, 충전 및 방전의 반복 사용 수명이 반영구적으로 매우 길다는 이점이 있는 기술 집약형 고부가가치 제품이다.
본 발명은 전기 자동차의 에너지 저장 시스템 제어 방법에 관한 것으로서, 배터리와 인버터 사이에 배터리와 병렬로 DC/DC 컨버터를 연결하고, 여기에 또한 슈퍼 커패시터를 직렬 연결하여 슈퍼 커패시터가 배터리를 보조하여 전력을 공급하도록 하며, DC/DC 컨버터는 주행 속도와 반비례하여 전압을 제어하도록 하고 있다. 따라서 이러한 방법을 통하여 종래 기술이 가졌던 문제점을 해결하고, 본 발명의 목적을 달성할 수 있다.
이하에서 본 발명에 따른 새로운 에너지 저장 시스템을, 도면을 참조하여 자세히 설명한다.
도 1에서는 본 발명의 에너지 저장 시스템의 구조를 나타내고 있다. 본 발명에서는 종래의 에너지 저장 시스템의 구조인 도 1과는 달리 배터리와 인버터의사이에 다른 구성 요소를 추가하고 있다. 즉 배터리와 인버터의 사이에 배터리와 병렬로 DC/DC 컨버터를 삽입하고, 여기에 슈퍼 커패시터를 직렬로 연결한 구조를 추가로 포함하고 있다.
본 발명에서 슈퍼 커패시터는 앞서 기재한 바와 같이 배터리에 비하여 전력의 공급 및 저장 특성이 우수하다. 따라서 기존의 전기 자동차 구조에서 순시적인 전력의 공급 또는 회생 저장을 가능하게 하고 그 효율을 증대시키기 위하여 배터리와 병렬로 연결하여 에너지 저장 시스템을 구성한 것이다. 슈퍼 커패시터와 배터리 사이의 전압은 동일(Vbat=Vcap)해야 하므로 이를 제어하는 DC/DC 컨버터를 슈퍼 커패시터 출력단에 부착해야 한다. 슈퍼 커패시터는 배터리와 병렬 연결되어 전기 자동차의 운행 중에 급격한 전력 변동이 일어나는 경우, 배터리의 전력 변동이 심해지는 것을 방지하는 완충 작용을 담당한다.
도 2는 DC/DC 컨버터의 전압을 제어하는 방법을 나타낸다. 차량이 고속 주행하고 있는 경우에는 운전자가 브레이크를 인가할 상황이 발생할 가능성이 크므로 브레이크가 인가될 때 회생 에너지를 최대한 흡수하기 위하여 슈퍼 커패시터의 전압을 충분히 작게 제어하고, 반대로 차량이 저속 주행하고 있는 경우에는 운전자가 더 많은 전력을 에너지 저장 시스템으로부터 요구할 것이 예상되므로 슈퍼 커패시터의 전압을 충분히 크게 제어한다. 따라서 도 2에 나타낸 바와 같이, DC/DC 컨버터의 전압이 차량의 주행 속도와 반비례가 되도록 제어함으로써 본 발명의 목적을 달성할 수 있다.
본 발명에 따라 전기 자동차의 동력 순시 응답성을 향상시킬 수 있으므로, 자동차 주행시 전력이 급격하게 변동되는 경우에도 탄력적으로 대처할 수 있으며, 차를 감속하거나 제동하는 경우의 회생 에너지 흡수 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 작은 배터리와 슈퍼 커패시터를 병렬 연결하여 사용함으로써 배터리 용량을 축소시킬 수 있다.

Claims (2)

  1. 전기 자동차의 에너지 저장 시스템 제어 방법으로서,
    배터리(battery)와 인버터(inverter) 사이에 상기 배터리와 병렬로 DC/DC 컨버터(converter)를 연결하고, 상기 DC/DC 컨버터에 슈퍼 커패시터를 직렬 연결하여,
    상기 슈퍼 커패시터가 상기 배터리를 보조하여 전력을 공급하는 에너지 저장 시스템의 제어 방법.
  2. 제2항에 있어서,
    상기 DC/DC 컨버터는 주행 속도와 반비례하여 전압을 제어하도록 하는 에너지 저장 시스템의 제어 방법.
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