KR20110073634A

KR20110073634A - 산업용 차량의 전력변환장치

Info

Publication number: KR20110073634A
Application number: KR1020090130327A
Authority: KR
Inventors: 김춘택; 홍민석
Original assignee: 두산인프라코어 주식회사
Priority date: 2009-12-24
Filing date: 2009-12-24
Publication date: 2011-06-30
Also published as: KR101524879B1

Abstract

본 발명은 산업용 차량의 전력변환장치에 관한 것으로, 상세하게는 전동 지게차의 배터리를 충전할 때 기존의 DC-DC 컨버터를 이용하여 충전 동작을 수행할 수 있는 산업용 차량의 전력변환장치에 관한 것이다. 이를 위하여, 본 발명은 전력변환장치 내에 배터리와 DC-DC 컨버터 간의 연결 관계를 설정하는 스위치부를 설치하여, 스위치부의 온/오프 동작에 의해 교류 전원에서 공급된 교류가 DC-DC 컨버터를 통해 배터리로 충전될 수 있다. 이에 따라, 배터리 충전을 위한 별도의 충전장치가 필요 없어서, 지게차의 제작 단가를 낮출 수 있고, 지게차에 충전장치 장착을 위한 공간 확보 문제를 해결할 수 있다.

지게차, 배터리, 충전, DC-DC 컨버터

Description

산업용 차량의 전력변환장치{POWER TRANSFORMER FOR INDUSTRIAL VEHICLE}

본 발명은 산업용 차량의 전력변환장치에 관한 것으로, 상세하게는 전동 지게차의 배터리를 충전할 때 기존의 DC-DC 컨버터를 이용하여 충전 동작을 수행할 수 있는 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 따라 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. 전동 지 게차의 배터리는 상용 교류 전원을 이용하여 충전한다.

도 1은 종래 전동 지게차의 배터리를 충전하기 위한 충전장치의 개략적인 구성을 나타낸 것이다.

도 1을 참조하면, 교류 전원(10)에서 공급된 교류가 변압기(20)를 통해 강압된 후, AC-DC 컨버터(30)를 통해 직류로 변환되어 배터리(40)에 충전된다. 교류 전원(10)이 220V일 때, 변압기(20)에서 교류 45V로 강압되고, AC-DC 컨버터(30)에서 직류 60V로 변환되어 배터리(40)에 충전된다. 배터리(40)에 충전된 전압은 전력변환장치(50)로 공급된다.

그러나 종래 전동 지게차는 배터리 충전을 위해 별도의 충전장치를 장착해야 하므로 지게차의 생산 비용이 증가하고 지게차의 탑재 구조 상 충전장치를 장착할 공간을 확보하는데 어려움이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은 전력변환장치 내에 장착되어 있는 기존 DC-DC 컨버터를 충전 회로로 사용하여 배터리의 충전 동작을 수행할 수 있는 산업용 차량의 전력변환장치를 제공하는 것이다.

이를 위하여, 본 발명에 의한 산업용 차량의 전력변환장치는, 배터리를 동력원으로 사용하는 산업용 차량의 전력변환장치에 있어서, 상기 배터리의 전압 레벨을 변경하는 컨버터와, 상기 컨버터에서 출력된 전압을 입력 받아 인터버로 출력하는 DC 링크와, 상기 배터리 충전 동작 시, 상기 배터리와 상기 컨버터의 입력단을 차단시키고, 상기 배터리와 상기 컨버터의 출력단을 연결시키는 스위치부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이, 본 발명은 전력변환장치에 스위치부를 추가하는 것만으로 기존 DC-DC 컨버터를 이용하여 배터리의 충전 동작을 수행할 수 있기 때문에, 배터리 충전을 위한 별도의 충전장치가 필요 없고, 이에 따라 지게차의 제작 단가를 낮출 수 있고, 지게차에 충전장치 장착을 위한 공간 확보 문제를 해결할 수 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 2는 본 발명의 실시예에 의한 전동 지게차의 전력변환장치의 구성을 나타낸 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 전력변환장치(60)는 2개 입력단과 1개의 출력단을 구비한다. 2개의 입력단은 각각 교류 전원(10) 및 배터리(40)에 연결되고, 출력단은 인버터(70)에 연결된다.

전력변환장치(60)는 배터리(40)로부터 전압을 입력받아 소정의 처리를 수행한 후 인버터(70)로 출력한다. 인버터(70)는 전력변환장치(60)로부터 출력된 직류를 교류로 변환하여 부하로 공급한다.

전력변환장치(60)는 배터리(40)의 직류 전압 레벨을 강압 또는 승압하는 컨버터(61), 컨버터(61)에서 출력된 전압을 입력 받아 인터버(70)로 출력하는 DC 링크(63), 배터리(10)와 컨버터(61) 간의 연결 관계를 설정하는 스위치부(62), 스위치부(62) 및 컨버터(61)의 동작을 제어하는 제어부(도시하지 않음) 등으로 구성된다.

컨버터(61)는 기존 전동 지게차의 전력변환장치에서 사용된 DC-DC 컨버터를 그대로 사용하되 저전압용 반도체 스위치(MOSFET)를 고전압용 반도체 스위치(IGBT) 로 대체한 것이다. 이에 따라, 컨버터(61)는 DC-DC 컨버터뿐만 아니라 AC-DC 컨버터로서 동작할 수 있다.

스위치부(62)는 배터리(40)와 컨버터(61)의 입력단에 설치된 제1 스위치(SW1, SW2, SW3), 배터리(40)와 컨버터(61)의 출력단에 설치된 제2 스위치(SW4)로 구성된다. 일반적으로 지게차 등 산업용 차량의 경우 3상 교류 전원을 사용하기 때문에 컨버터(61)의 입력단은 3개의 입력 라인으로 이루어져 있다. 따라서, 제1 스위치(SW1, SW2, SW3)는 동시 온/오프 되는 3개의 스위치로 구성된다.

교류 전원(10)은 3상 교류 전원으로 3개의 전원 라인이 각각 컨버터(61)의 입력 라인과 연결된다. 여기서, 배터리(40)의 충전 동작 시 교류 전원(10)이 컨버터(61)로 입력될 수 있도록, 교류 전원(10)의 전원 라인은 제1 스위치(SW1, SW2, SW3) 후단의 컨버터(61)의 입력 라인에 연결된다.

배터리(40)의 충전 동작 시, 스위치부(62)는 제1 스위치(SW1, SW2, SW3)를 오프 하여 배터리(40)와 컨버터(61)의 입력단을 차단시키고, 제2 스위치(SW4)를 온 하여 배터리(40)와 컨버터(61)의 출력단을 연결시킨다.

스위치부(62)의 연결 동작에 의해, 컨버터(61)는 교류 전원(10)으로부터 3개의 입력 라인을 통해 공급되는 교류를 직류로 변환한 후, 출력단을 통해 변환된 직류를 배터리(40)로 출력한다. 즉, 컨버터(61)가 AC-DC 컨버터로 동작하여 교류 전원(10)의 전압을 배터리(40)로 충전한다.

배터리(40)의 방전 동작 시, 스위치부(62)는 제1 스위치(SW1, SW2, SW3)를 온 하여 배터리(40)와 컨버터(61)의 입력단을 연결시키고, 제2 스위치(SW4)를 오프 하여 배터리(40)와 컨버터(61)의 출력단을 차단시킨다.

스위치부(62)의 연결 동작에 의해, 배터리(40)에서 나온 직류가 컨버터(61)에서 전압 레벨이 변경된 후, DC 링크(63)를 통해 인버터(70)로 출력된다. 즉, 컨버터(61)가 종래와 같이 DC-DC 컨버터로 동작하여 배터리(40)의 전압이 인버터(70)를 통해 부하로 전달된다.

한편, 본 발명에 의한 전력변환장치(60)는 도 3과 같이, 상기 제2 스위치(SW4)를 포함하는 스위치부(64)를 포함할 수 있다. 스위치부(64)를 구성하는 스위치(SR1)은 스위치부(62)의 스위치(SW4)와 동일하다.

도 3을 참조하면, 전력변환장치(60)의 입력단은 배터리(40) 및 울트라 커패시터(80)에 연결되고, 전력변환장치(60)의 출력단은 인버터(70)에 연결된다. 전력변환장치(60)는 배터리(40) 및 울트라 커패시터(80)로부터 전압을 입력받아 소정의 처리를 수행한 후 인버터(70)로 출력한다. 인버터(70)는 전력변환장치(60)로부터 출력된 직류를 교류로 변환하여 부하로 공급한다. 도 3에서, 스위치부(62)의 스위치(SW1, SW2, SW3)는 온 상태로서, 스위치(SW1, SW2, SW3)가 도시되어 있지는 않음에 유의한다.

전력변환장치(60)는 배터리(40)의 직류 전압 레벨을 강압 또는 승압하는 DC-DC 컨버터(61), DC-DC 컨버터(61)에서 출력된 전압 및 울트라 커패시터(80)의 전압을 입력 받아 인터버(30)로 출력하는 DC 링크(63), 배터리(40)와 울트라 커패시터(80) 및DC-DC 컨버터(61) 간의 연결 관계를 설정하는 스위치부(64), 스위치부(64) 및 DC-DC 컨버터(61)의 동작을 제어하는 제어부(62) 등으로 구성된다.

하이브리드 전동 지게차가 동작을 개시할 때 울트라 커패시터(80)로 초기 충전 동작이 수행된다. 제어부(62)가 지게차의 동작 개시를 감지하면, 제어부(62)는 스위치부(64)를 제어하여 배터리(40)의 전압이 DC-DC 컨버터(61)를 통해 울트라 커패시터(80)로 충전되도록 한다.

스위치부(64)는 배터리(40)와 DC-DC 컨버터(42)의 입력단 간에 설치된 제1 스위치(MC1), 울트라 커패시터(80)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.

제1 스위치(MC1) 및 제2 스위치(MC2)는 오프 되고, 제3 스위치(SR1) 및 제4 스위치(SR2)은 온 되어, 배터리(40)와 DC-DC 컨버터(61)의 출력단이 연결되고, 울트라 커패시터(80)와 DC-DC 컨버터(61)의 입력단이 연결된다. 이와 같은 스위치부(64)의 온/오프 동작에 의해, 배터리(40)에서 나온 전류가 DC-DC 컨버터(61)를 통해 울트라 커패시터(80)로 흘러 들어감으로써, 울트라 커패시터(80)로의 초기 충전 동작이 수행된다.

이와 같은 전력변환장치(60)의 동작을 살펴보면, 먼저 하이브리드 전동 지게차의 하이브리드 키 스위치를 온 한다(S10). 하이브리드 키 스위치를 온 하면 지게차의 하이브리드 동작이 개시되고, 제어부(62)는 DC 링크(63)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(62)는 울트라 커패시터(80) 전압이 기준 전압 이상인지를 판단한다(S12).

울트라 커패시터 전압이 기준 전압 이상인 경우, 제어부(62)는 스위치부(64)를 제어하여 제1 스위치(MC1) 및 제2 스위치(MC2)가 온 된다(S16). 이에 따라, 배터리(40)와 DC-DC 컨버터(61)의 입력단이 연결되고, 울트라 커패시터(80)와 DC-DC 컨버터(61)의 출력단이 연결되어, 초기 충전 동작 없이 바로 정상 운영 동작을 수행한다.

반면, 울트라 커패시터 전압이 기준 전압 미만인 경우, 제어부(62)는 스위치부(64)를 제어하여 제3 스위치(SR1) 및 제4 스위치(SR2)가 온 된다(S13). 이에 따라, 배터리(40)와 DC-DC 컨버터(61)의 출력단이 연결되고, 울트라 커패시터(80)와 DC-DC 컨버터(61)의 입력단이 연결되어, 울트라 커패시터(80)로의 초기 충전 동작이 수행된다.

다음, 제어부(62)는 울트라 커패시터(80)의 전압이 기준 전압 이상이 되는지 판단한다(S14). 울트라 커패시터(80)의 전압이 기준 전압이 도달하지 않으면 계속해서 충전이 수행된다. 울트라 커패시터(80)의 전압이 기준 전압 이상이 되면, 제어부(62)는 제3 스위치(SR1) 및 제4 스위치(SR2)를 오프 하고(S15), 제1 스위 치(MC1) 및 제2 스위치(MC2)를 온 한다(S16), 이에 따라, 배터리(40) 및 울트라 커패시터(80)가 부하의 동력을 분담하는 하이브리드 정상 운용 동작을 수행한다.

본 발명은 전동 지게차의 전력변환장치을 예로 들어 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 배터리를 구비한 모든 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 종래 산업용 차량의 배터리 충전 장치의 개략적 구성도.

도 2는 본 발명에 의한 산업용 차량의 전력변환장치의 개략적인 구성도.

도 3은 본 발명에 의한 산업용 차량의 전력변환장치의 다른 구성도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

10: 교류전원 20: 변압기

30: AC-DC 컨버터 40: 배터리

50, 60: 전력변환장치 61: 컨버터

62: 스위치부 63: DC 링크

70: 인버터

Claims

배터리를 동력원으로 사용하는 산업용 차량의 전력변환장치에 있어서,

상기 배터리의 전압 레벨을 변경하는 컨버터와,

상기 컨버터에서 출력된 전압을 입력 받아 인터버로 출력하는 DC 링크와,

상기 배터리 충전 동작 시, 상기 배터리와 상기 컨버터의 입력단을 차단시키고, 상기 배터리와 상기 컨버터의 출력단을 연결시키는 스위치부를 포함하는 것을 특징으로 하는 산업용 차량의 전력변환장치.
제1항에 있어서,

상기 배터리 방전 동작 시, 상기 스위치부는 상기 배터리와 상기 컨버터의 입력단을 연결시키고, 상기 배터리와 상기 컨버터의 출력단을 차단시키는 것을 특징으로 하는 산업용 차량의 전력변환장치.
제1항에 있어서,

상기 스위치부는 상기 배터리와 상기 컨버터의 입력단에 설치된 제1 스위치와, 상기 배터리와 상기 컨버터의 출력단에 설치된 제2 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 산업용 차량의 전력변환장치.
제1항에 있어서,

상기 배터리 충전 동작 시, 상기 컨버터는 교류 전원으로부터 상기 입력단을 통해 공급되는 교류를 직류로 변환한 후, 상기 출력단을 통해 상기 배터리로 출력하는 것을 특징으로 하는 산업용 차량의 전력변환장치.