KR20120037701A - 전기차량의 회생제동장치의 에너지 충방전 제어 장치 및 방법 - Google Patents

전기차량의 회생제동장치의 에너지 충방전 제어 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기차량의 회생제동장치의 에너지 충방전 제어 장치에 관한 것으로서, 전기차량의 바퀴 구동용 전동기에 인버터를 통해 전력을 공급할 수 있도록 된 배터리와, 적어도 하나의 슈퍼커패시터가 직렬로 상호 접속된 보조 충전부와, 제어신호에 따라 전류도통방향을 전환할 수 있도록 배터리와 보조 충전부 사이에 접속된 양방향 컨버터와, 인버터로 공급되는 부하전류와, 제동시 인버터를 통해 역으로 흐르는 회생 전류와, 배터리와 양방향 컨버터 사이에 흐르는 충방전 전류를 검출하는 전류검출부와, 전기차량의 속도를 검출하는 속도검출부와 전류검출부에서 출력된 정보를 이용하여 양방향 컨버터를 제어하되 전기차량이 가속모드인지 제동모드인지를 판단하여 제동모드시에는 보조충전부가 정격전압에 도달할 때까지 회생전류가 충전되도록 양방향 컨버터를 제어하되 보조충전부의 충전전압에 따라 양방향 컨버터의 스위칭 주기내에 도통(turn-on)되는 시간의 비인 듀티비(duty ratio)를 가변하여 제어하는 제어유니트를 구비한다. 이러한 전기차량의 회생제동장치의 에너지 충방전 제어 장치 및 방법에 의하면, 제동시 전동기로부터 발생되는 에너지의 저장 효율을 높일 수 있어 단 한번의 배터리 충전으로 가능한 전기차량의 운행거리를 증가시킬 수 있고 배터리 수명을 연장하여 오래 사용할 수 있을 뿐만아니라 전기 에너지 저장장치의 고장발생을 억제할 수 있는 장점을 제공한다.

Description

전기차량의 회생제동장치의 에너지 충방전 제어 장치 및 방법{electric energy charging and discharging apparatus and method using super capactiors for regenerative braking system of electric motorcycles}
본 발명은 전기차량의 회생제동장치의 에너지 충방전 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 배터리와 슈퍼커패시터 사이에 양방향 컨버터를 적용하여 충방전을 수행할 수 있도록 된 전기차량의 회생제동장치의 에너지 충방전 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 전기차량 예를 들면 전기오토바이, 전기 자전거, 전기 자동차 등은 배터리의 전력을 이용하여 모터인 전동기를 구동할 수 있도록 되어 있고, 제동시에는 전동기가 발전기로서 작동함으로써 이때 발생되는 에너지를 전기저항의 열에너지로 소모시키거나 배터리를 이용하여 충전할 수 있도록 하고 있다.
그런데, 배터리를 이용하여 전기 에너지를 저장하는 경우에는 배터리의 충방전 특성상 단시간에 발생하는 회생전력 에너지를 효과적으로 저장하지 못하여 효율이 매우 나쁘고 빈번한 충방전은 배터리 수명을 단축시켜 배터리의 내구성을 저하시키는 문제점이 있다. 또한, 전기저항을 이용하는 경우 회생제동은 가능하나 전기에너지를 열로써 방출하여 소모해 버리는 단점이 있다.
이러한 문제점을 개선하기 위해 국내 공개특허 제2003-0006269호에는 슈퍼커패시터를 부가하여 충전효율을 높일 수 있는 에너지 저장시스템의 제어방법이 개시되어 있다.
상기 에너지 저장시스템은 배터리와 인버터 사이에 배터리와 병렬로 DC/DC컨버터가 접속되고, 여기에 수퍼커패시터가 직렬로 연결된 구조로 되어 있고, DC/DC컨버터는 주행속도와 반비례하여 전압을 제어하도록 되어 있다.
이러한 종래의 에너지 저장시스템은 슈퍼커패시터의 충방전시의 슈퍼커패시터의 전압 변동상태 및 요구되는 부하전류 또는 검출되는 회생전류량을 고려하지 않음으로써 전기에너지의 충방전 효율 및 에너지 이용효율을 극대화시키기 어려운 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 전동기의 동작상태에 따라 배터리와 슈퍼커패시터 간의 전기 에너지 저장 효율을 향상할 수 있으면서도 충방전 과정에서 발생하는 전기적 과도현상을 최소화 하도록 전압을 제어하여 고장 발생을 없도록 하여 신뢰성을 높일 수 있는 전기차량의 회생제동장치의 에너지 충방전 제어 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 전기차량의 회생제동장치의 에너지 충방전 제어 장치는 전기차량의 바퀴 구동용 전동기에 인버터를 통해 전력을 공급할 수 있도록 된 배터리와; 적어도 하나의 슈퍼커패시터가 직렬로 상호 접속된 보조 충전부와; 제어신호에 따라 전류도통방향을 전환할 수 있도록 상기 배터리와 상기 보조 충전부 사이에 접속된 양방향 컨버터와; 상기 인버터로 공급되는 부하전류와, 제동시 상기 전동기로부터 상기 인버터를 통해 역으로 흐르는 회생 전류와, 상기 배터리와 상기 양방향 컨버터 사이에 흐르는 충방전 전류를 검출하는 전류검출부와; 상기 전기차량의 속도를 검출하는 속도검출부와; 상기 배터리의 전압을 검출하는 제1전압검출부와; 상기 보조 충전부의 전압을 검출하는 제2전압검출부와; 상기 속도검출부와 상기 전류검출부에서 출력된 정보를 이용하여 상기 양방향 컨버터를 제어하되 상기 전기차량이 가속모드인지 제동모드인지를 판단하여 제동모드시에는 상기 보조충전부가 정격전압에 도달할 때까지 상기 회생전류가 충전되도록 상기 양방향 컨버터를 제어하되 상기 보조충전부의 충전전압에 따라 상기 양방향 컨버터의 스위칭 주기내에 도통(턴온)되는 시간의 비인 듀티비를 가변하여 제어하는 제어유니트;를 구비한다.
바람직하게는 상기 양방향 컨버터는 상기 제어유니트의 펄스폭 변조(PWM) 제어신호에 의해 스위치 온/오프되며 상기 배터리의 양극단자로부터 상기 보조 충전부의 양극단자 방향으로 전류도통경로를 형성하도록 접속된 제1 스위칭소자와; 상기 제1스위칭소자와 병렬접속하되 상기 제1스위칭소자의 전류도통방향에 대해 역방향으로 전류도통경로를 형성하도록 접속된 제1다이오드와; 상기 보조 충전부의 양극단자와 음극단자 사이에 병렬접속되어 상기 보조 충전부의 양극단자로부터 상기 보조 충전부의 음극단자 방향으로 전류도통경로를 형성하도록 접속된 제2스위칭 소자와; 상기 제2스위칭소자와 병렬접속되되 상기 제2스위칭소자의 전류도통방향에 대해 역방향으로 전류도통경로를 형성하도록 접속된 제2다이오드;를 구비하고, 상기 보조충전부의 양극단자로부터 상기 제2스위칭소자로 이어지는 전류도통경로상에 설치된 제1인덕터;를 더 구비한다.
또한, 상기 전류검출부는 상기 인버터로 공급되는 부하전류를 검출하는 제1전류 검출기와; 상기 전기차량의 제동시 상기 전동기로부터 상기 인버터를 통해 역으로 흐르는 회생 전류를 검출하는 제2전류검출기와; 상기 배터리와 상기 양방향 컨버터 사이에 흐르는 충방전 전류를 검출하는 제3전류검출기;를 구비하고, 상기 제어유니트는 상기 제2전류 검출기에서 회생전류가 검출되면 상기 제동모드로 판단한다.
더욱 바람직하게는 상기 보조충전부의 충방전시 발생되는 과전압을 억제하기 위해 상기 제1스위칭소자와 상기 배터리의 양극단자 사이에 접속된 제2인덕터와, 상기 양방향 컨버터와 병렬접속된 제1커패시터로 된 과전압 완충부;를 더 구비한다.
본 발명의 일측면에 따르면, 상기 제어유니트는 상기 속도검출부에서 검출된 상기 전기차량의 속도와 상기 부하전류로부터 기준전류를 산출하는 기준충방전 전류치 산출부와; 상기 기준전류와 상기 충방전전류와의 오차가 감쇠되도록 비례적분 하는 비례적분제어기와; 상기 비례적분제어기의 출력신호를 기준으로 상기 양방향 컨버터를 구동하기 위한 듀티비를 조정하는 듀티비 조정부와; 상기 듀티비 조정부에 의해 조정된 듀티비에 대응되는 펄스폭 제어신호를 생성하는 펄스폭 변조부와; 상기 펄스폭 변조부에 의해 생성된 구동 펄스 신호를 제동모드시에는 상기 제1스위칭소자에 인가하고, 가속모드시에는 상기 제2스위칭 소자에 인가하는 스위칭 구동부;를 구비한다.
또한 상기 보조 충전부는 직렬로 접속된 복수개의 슈퍼커패시터 각각과 병렬접속된 저항소자와; 상기 보조 충전부의 양단과 병렬접속된 제너다이오드;를 더 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 전기차량의 회생제동장치의 에너지 충방전 제어 방법은 전기차량의 바퀴 구동용 전동기에 인버터를 통해 전력을 공급할 수 있도록 된 배터리와 양방향 컨버터를 통해 병렬접속된 보조 충전부를 갖는 전기차량의 회생제동장치의 에너지 충방전 제어 방법에 있어서, 가. 충방전시 상기 양방향 컨버터에 적용할 기준 듀티비를 설정하는 단계와; 나. 상기 전기차량의 속도와 상기 인터버로 공급되는 부하전류 및 상기 회생전류로부터 요구되는 기준 충/방전전류를 산출하는 단계와; 다. 상기 기준 충/방전전류와 상기 양방향 컨버터를 통해 흐르는 충/방전전류의 차이가 저감되게 비례적분 제어를 수행하는 단계와; 라. 상기 전동기로부터 인버터를 통해 역으로 흐르는 회생전류가 검출되는 지로부터 제동모드인지 가속모드인지를 판단하는 단계와; 마. 상기 라 단계에서 제동모드로 판단되면 상기 배터리의 전압이 설정된 제1기준전압 보다 크고, 상기 보조 충전부의 전압이 설정된 제2기준전압 이하인지를 판단하는 단계와; 바. 상기 마 단계에서 상기 배터리의 전압이 설정된 제1기준전압 보다 높고, 상기 보조 충전부의 충전 전압이 설정된 제2기준전압 이하이면 상기 양방향 컨버터에 인가되는 펄스폭의 듀티비를 증가시키는 단계;를 포함한다.
또한, 상기 마 단계에서 상기 배터리의 전압이 설정된 제1기준전압 이하이거나, 상기 보조 충전부의 전압이 설정된 제2기준전압을 초과한 것으로 판단되면 상기 양방향 컨버터에 인가되는 펄스폭의 듀티비를 감소시키는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 전기차량의 회생제동장치의 에너지 충방전 제어 장치 및 방법에 의하면, 제동시 전동기로부터 발생되는 에너지의 저장 효율을 높일 수 있어 단 한번의 배터리 충전으로 가능한 전기차량의 운행거리를 증가시킬 수 있고 배터리 수명을 연장하여 오래 사용할 수 있을 뿐만 아니라 전기 에너지 저장장치의 고장발생을 억제할 수 있는 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 전기차량의 회생제동장치의 에너지 충방전 제어 장치를 나타내 보인 블록도이고,
도 2는 도 1의 제어유니트의 블록도이고,
도 3은 도 1의 보조 충전부의 상세 회로도 이고,
도 4는 본 발명에 전기차량의 회생제동장치의 에너지 충방전 제어 과정을 나타내 보인 플로우도이고,
도 5 내지 도 7은 본 발명에 따른 전기차량의 회생제동장치의 에너지 충방전 제어 장치에 대해 회생제동시 충전전류에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내 보인 그래프이고,
도 8 내지 도 10은 본 발명에 따른 전기차량의 회생제동장치의 에너지 충방전 제어 장치에 대해 회생제동시 충전전압에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내 보인 그래프이고,
도 11 내지 도 14는 본 발명에 따른 전기차량의 회생제동장치의 에너지 충방전 제어 장치에 대해 가속시 시뮬레이션 결과를 나타내 보인 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전기차량의 회생제동장치의 에너지 충방전 제어 장치 및 방법을 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 전기차량의 회생제동장치의 에너지 충방전 제어 장치를 나타내 보인 블록도이다.
도 1을 참조하면, 전기차량의 회생제동장치의 에너지 충방전 제어 장치(100)는 배터리(110), 보조 충전부(120), 양방향 컨버터(130), 제1 내지 제3전류 검출기(141 내지 143), 제1 및 제2전압검출부(151)(152), 인버터(170), 속도 검출부(180), 과전압 완충부(190) 및 제어유니트(200)를 구비한다.
모터(M)(230)는 전기 차량(EV)(250)의 바퀴 구동용 전동기로서 적용된 것으로 일반적으로 브러시리스(BLDC) 모터를 적용하고, 인버터(170)를 통해 공급된 전력에 의해 구동되고 제동시에는 회전에 의해 발생되는 전기에너지를 인버터(170)의 스위칭소자(S1 내지 S6)에 병렬상으로 접속된 환류다이오드(D11 내지 D16)를 통해 회생전류를 출력한다.
속도 검출부(180)는 모터(230)에 의해 구동되는 전기차량의 속도를 검출하는 것으로 홀센서(Hall Sensor)가 적용될 수 있고, 검출된 속도 정보를 제어유니트(200)에 출력한다.
인버터(170)는 전압원인 배터리(110) 또는 보조충전부(120)에서 공급되는 직류전원을 브러시리스 모터 드라이버(미도시)에 의해 선택적으로 제어되는 스위칭소자(S1 내지 S6)에 의해 교류상으로 변환하여 3상 모터(230)로 공급하도록 되어 있고, 그 구조는 공지되어 있어 상세한 설명은 생략한다.
배터리(110)는 인버터(170)를 통해 전력을 공급할 수 있도록 인버터(170)의 양단에 접속되어 있다.
배터리(110)는 리튬이온 배터리 등 공지된 것을 적용하면 된다.
참조부호 C2는 배터리(110)와 인버터(170) 사이에 접속된 평활용 콘덴서이다.
보조 충전부(120)는 도 3에 도시된 바와 같이 다수개의 슈퍼커패시터(121)가 직렬로 상호 접속되어 에너지를 충전 또는 방전할 수 있도록 후술되는 양방향 컨버터(130)를 통해 배터리(110)와 병렬접속되어 있다.
여기서 슈퍼 커패시터(121)는 저전압(2.7V) 및 대용량(100~1000F)을 갖는 커패시터를 말하며, 양극사이에 산화금속 및 폴리메르 화합물을 사용하여 전하를 충전함으로써 전기화학적 작용에 의해 전하를 충전하는 배터리(110)와 구조가 다르다.
따라서 보조 충전부(120)는 요구하는 전압레벨에 적합하도록 다수의 슈퍼커패시터(121)를 직렬로 연결하여 뱅크 형태로 사용하면 되고, 직렬연결에 의한 불균등 충전현상을 억제하고, 과충전 현상을 방지할 수 있도록 구축되는 것이 바람직하다.
바람직하게는 보조 충전부(120)는 다수의 슈퍼커패시터(121) 상호간의 충전 균등화를 위해 직렬로 접속된 복수개의 슈퍼커패시터(121) 각각과 병렬접속된 저항소자(123)와, 보조 충전부(120)의 양단과 병렬접속된 제너다이오드(ZD1)를 구비한다.
여기서 제너다이오드(ZD1)는 보조 충전부(120)의 슈퍼 커패시터(121)의 과충전에 의한 소손을 방지하기 위해 과전압 억제용으로 적용되었다.
양방향 컨버터(130)는 제어유니트(200)의 제어신호에 따라 전류도통방향을 전환할 수 있도록 배터리(110)와 보조 충전부(120) 사이에 접속되어 있다.
이러한 양방향 컨버터(130)는 제1스위칭소자(T1), 제2스위칭소자(T2), 제1 및 제2다이오드(D1)(D2)로 되어 있다.
제1스위칭 소자(T1)는 제어유니트(200)의 제어신호에 의해 스위치 온/오프되며 배터리(110)의 양극단자(112)로부터 보조 충전부(120)의 양극단자(125) 방향으로 전류도통경로를 형성하도록 접속되어 있고 3단자 전력 스위칭 소자인 IGBT소자가 적용될 수 있다.
제1다이오드(D1)는 제1스위칭소자(T1)의 전류도통방향에 대해 역방향으로 전류도통경로를 형성하도록 제1스위칭소자(T1)의 드레인단자와 소오스 단자 사이에 병렬접속되어 있다.
제2스위칭 소자(T2)는 제1스위칭소자(T1)와 보조 충전부(120)의 음극단자(127)에 대응되는 그라운드(G) 사이에 접속되어 있다.
즉, 제2스위칭 소자(T2)는 보조 충전부(120)의 양극단자(125)와 음극단자(127) 사이에 병렬 접속되어 보조 충전부(120)의 양극단자(125)로부터 보조 충전부(127)의 음극단자 방향으로 전류도통경로를 형성하도록 접속되어 있다.
제2스위칭 소자(T2)도 3단자 전력 스위칭 소자인 IGBT소자가 적용될 수 있다.
제2다이오드(D2)는 제2스위칭소자(T2)의 전류도통방향에 대해 역방향으로 전류도통경로를 형성하도록 제2스위칭소자(T2)의 드레인단자와 소오스 단자 사이에 병렬접속되어 있다.
제1인덕터(L1)는 보조충전부(120)의 양극단자(125)로부터 제1스위칭소자(T1)의 소오스 단자와 제2스위칭소자(T2)의 드레인 사이로 이어지는 전류도통경로상에 설치되어 있다.
전류검출부는 인버터(170)로 공급되는 부하전류와, 제동시 모터(230)로부터 인버터(170)를 통해 역으로 흐르는 회생 전류와, 배터리(110)와 양방향 컨버터(130) 사이에 흐르는 충방전 전류를 검출하도록 제1 내지 제3전류검출기(CS1 내지 CS3)(141 내지 143)가 적용되었다.
제1전류검출기(CS1)(141)는 배터리(110)로부터 인버터(170)로 이어지는 전류공급 경로(172)상에 설치되어 인버터(172)로 공급되는 부하전류를 검출하여 제어유니트(200)에 출력한다.
제1전류검출기(141)와 배터리(110)의 양극단자(112) 사이에는 인버터(170)로 공급되는 전류만 도통될 수 있게 제3다이오드(D3)가 접속되어 있다.
제2전류검출기(142)는 인버터(170)로 이어지는 전류공급 경로(172)와 병렬상으로 접속된 회생전류 도통경로(174) 상에 접속된 제4다이오드(D4)를 통해 흐르는 회생전류를 검출할 수 있도록 설치되어 있다.
여기서 회생전류는 전기차량(250)의 제동시 모터(230)로부터 인버터(170)의 환류다이오드(D11 내지 D16)를 통해 역으로 흐르는 전류를 말한다.
제3전류검출기(143)는 배터리(110)와 양방향 컨버터(130) 사이에 흐르는 충방전 전류(I3)를 검출할 수 있도록 배터리(110)의 양극단자(112)와 양방향 컨버터(130)의 제1스위칭소자(T1)의 드레인 사이에 접속되어 있다.
제3전류검출기(143)에서 검출된 충방전 전류정보는 후술되는 제어유니트(200)에 의해 과충전을 억제하도록 제어하는데도 이용된다.
과전압완충부(190)는 보조충전부(120)의 충방전시 발생되는 과전압을 억제하기 위해 제1스위칭소자(T1)의 드레인과 배터리(110)의 양극단자(112) 사이에 접속된 제2인덕터(L2)와, 양방향 컨버터(130)와 병렬접속된 제1커패시터(C1)로 되어 있다.
제1전압검출부(151)는 배터리(110)의 전압을 검출하여 제어유니트(200)에 제공한다.
제2전압검출부(152)는 보조 충전부(120)의 전압을 검출하여 제어유니트(200)에 제공한다.
제어유니트(200)는 속도검출부(180)에서 검출된 전기차량(250)의 속도정보와, 전류검출부에서 검출된 정보 및 제1 및 제2전압검출부(151)(152)에서 검출된 정보를 이용하여 양방향 컨버터(130)를 제어한다.
제어유니트(200)는 전기차량(250)이 가속모드인지 또는 제동모드인지를 판단하고, 제동모드시에는 배터리(110)보다 우선적으로 보조충전부(120)가 정격전압에 도달할 때까지 회생전류가 충전되도록 양방향 컨버터(130)를 제어하되 보조충전부(120)의 충전전압에 따라 양방향 컨버터(130)의 스위칭 주기내에 도통(turn-on)되는 시간의 비인 펄스폭 변조(PWM) 듀티비를 가변하여 제어한다.
바람직하게는 제어유니트는 제2전류 검출기(142)에서 회생전류가 검출되면 제동모드로 판단하도록 구축된다.
이러한 제어유니트에 대해 도 2를 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.
제어유니트(200)는 기준 충/방전 전류치 산출부(202)와, 비례적분(PI)제어기(207), 듀티비 조정부(209), 펄스폭 변조부(PWM변조부)(211) 및 스위칭 구동부(213)를 구비한다.
기준충/방전 전류치 산출부(202)는 기준충전 전류치 산출부(202a)와 기준방전 전류치 산출부(202b)를 구비한다.
기준충전 전류치 산출부(202a)는 제동모드시 기준충전전류치를 산출하는 것으로서, 속도검출부(180)에서 검출된 전기차량(250)의 속도와 제2전류검출기(142)에서 검출된 회생전류로부터 설정된 산출방식에 따라 기준 충전전류(Iregen_ref)를 산출한다. 여기서 기준충전 전류치 산출부(202a)의 기준 충전전류 산출방식은 차량의 속도(Vvehicle)와 회생전류(Iregen)에 대해 Iregen_ref = K1 Vvehicle + K2 Iregen 로 (K1, K2 계수)가 되도록 설정되는 것이 바람직하다.
또한, 기준방전 전류치 산출부(202b)는 가속모드시 기준 방전전류치를 산출하는 것으로서, 속도검출부(180)에서 검출된 전기차량(250)의 속도와 제1전류검출기(141)에서 검출된 부하전류로부터 설정된 산출방식에 따라 기준 방전 전류(Iaccel_ref)를 산출한다. 여기서 기준방전 전류치 산출부(202)의 기준 방전전류 산출방식은 전기차량(250)의 속도(Vvehicle)와 부하전류(Iload)에 대해 Iaccel_ref = K3 Vvehicle + K4 Iload 로 (K3, K4 계수)가 되도록 설정되는 것이 바람직하다.
비례적분 제어기(207)는 기준 충전 전류 또는 기준 방전전류와 제3전류검출기(143)에서 검출된 충전전류 또는 방전전류와의 오차 값에 대해 오차가 감쇠되도록 비례적분 하여 충/방전 요구전류 즉, 충전 요구전류 또는 방전 요구전류를 산출한다.
듀티비 조정부(209)는 비례적분제어기(207)의 출력신호를 기준으로 양방향 컨버터(130)를 구동하기 위한 듀티비를 조정한다.
듀티비 조정부(209)는 듀티비 조정시 배터리(110)의 전압(Vbatt)정보와 보조충전부(120)의 전압정보도 함께 이용한다. 일 예로서, 충전시 보조 충전부(120)의 전압이 정격전압에 도달하면 제1스위칭소자(T1)의 구동이 멈추도록 0%듀티비를 적용하고, 방전시 보조 충전부(120)의 전압이 정격전압의 1/2에 도달하면 제2스위칭 소자(T2)의 구동이 멈추도록 제2스위칭소자의 0%듀티비를 적용하는 방식으로 적용할 수 있다. 또한, 듀티비 조정부(209)의 배터리(110)의 전압을 이용하는 과정에 대해서는 도 4를 통해 후술한다.
펄스폭 변조부(211)는 듀티비 조정부(209)에 의해 조정된 듀티비에 대응되는 펄스폭 제어신호를 생성한다.
스위칭 구동부(213)는 펄스폭 변조부(211)에 의해 생성된 구동 펄스 신호를 제동모드시에는 제1스위칭소자(T1)에 인가하고, 가속모드시에는 제2스위칭 소자(T2)에 인가한다.
이하에서는 이러한 충방전 제어과정을 도 4를 참조하여 설명한다.
먼저, 충/방전시 양방향 컨버터(130)에 펄스폭 변조에 의해 적용한 기준듀티비를 설정한다(단계 310). 여기서 기준 듀티비는 보조충전부(120)의 충방전 특성을 고려하여 초기값으로 적용하기 위한 것으로서 일반적으로 50%가 되도록 설정하면 된다.
다음은 전기차량(250)의 속도와 인터버(170)로 공급되는 부하전류 및 회생전류를 검출하고(단계 320), 검출된 값을 이용하여 요구되는 기준 전류 즉, 기준 충/방전 전류를 산출한다(단계 330).
단계 330이후에는 기준 충/방전전류와 양방향 컨버터(130)를 통해 흐르는 충/방전전류의 차이가 저감되게 비례적분 제어를 수행하여 충/방전 요구전류를 산출한다(단계 340).
이후, 모터(230)로부터 인버터(170)를 통해 역으로 흐르는 회생전류가 검출되는 지로부터 제동모드인지 가속모드인지를 판단하고(단계 350), 제동모드로 판단되면 배터리(110) 전압(Vbatt)과 보조충전부(120)의 전압(Vcap)에 대해 배터리(110)의 전압이 설정된 제1기준전압(Vr1) 보다 크고, 보조 충전부(120)의 충전전압(Vcap)이 설정된 제2기준전압(Vr2) 이하인지를 판단한다(단계 360). 여기서 제1기준전압(Vr1)은 제로(zero)볼트로 설정되는 것이 바람직하다.
단계 360에서 배터리(110)의 전압(Vbatt)이 설정된 제1기준전압(Vr1) 보다 높고, 보조 충전부(120)의 충전 전압이 설정된 제2기준전압(Vr2) 이하이면 양방향 컨버터(120)에 인가할 펄스폭의 듀티비를 설정된 증가폭 만큼 증가시킨다(단계 370).
단계 370이후에는 증가된 듀티비로 제1스위칭 소자(T1)를 구동시키고, 단계 320으로 복귀한다.
이와는 다르게, 단계 360에서 배터리(110)의 전압(Vbatt)이 설정된 제1기준전압(Vr1) 이하이거나, 보조 충전부(120)의 충전 전압이 설정된 제2기준전압(Vr2)을 초과한 것으로 판단되면 양방향 컨버터(120)에 인가되는 펄스폭의 듀티비를 설정된 감소폭만큼 감소시킨다(단계 380).
단계 380이후에도 역시 감소된 듀티비로 제1스위칭 소자(T1)를 구동시키고, 단계 320으로 복귀한다.
한편, 단계 350에서 가속모드로 판단되면, 보조 충전부(120)의 충전전압(Vcap)이 설정된 제2기준전압(Vr2) 이상이고, 배터리(110)의 전압(Vbatt)이 설정된 제3기준전압(Vr3) 이상인지를 판단한다(단계 400). 여기서 제3기준전압은 제로(Zero)볼트 보다 높게 설정되는 것이 바람직하다.
단계 400에서 보조 충전부(120)의 충전전압(Vcap)이 설정된 제2기준전압(Vr2) 이상이고, 배터리(110)의 전압(Vbatt)이 설정된 제3기준전압(Vr3) 이상이다고 판단되면, 양방향 컨버터(120)에 인가할 펄스폭의 듀티비를 설정된 증가폭 만큼 증가시킨다(단계 410).
이와는 다르게, 보조 충전부(120)의 충전전압(Vcap)이 설정된 제2기준전압(Vr2) 미만이거나, 배터리(110)의 전압(Vbatt)이 설정된 제3기준전압(Vr3) 미만이라고 판단되면, 양방향 컨버터(120)에 인가할 펄스폭의 듀티비를 설정된 증가폭 만큼 감소시킨다(단계 420)
단계 410 또는 단계 420 이후에는 증감이 적용된 듀티비로 제2스위칭 소자(T2)를 구동시키고, 단계 320으로 복귀한다.
한편, 이러한 제어과정에서 제동모드시의 충전과정을 살펴보면, 제동모드시 전기차량(250)의 모터(230)에 차량관성력에 의해 제동력이 가해지면 모터(230)는 곧바로 발전기 역할을 하게 되어 생성된 전류가 인버터(170)의 환류다이오드(D11 내지 D16)을 통하여 역으로 흐르게 되고, 제 2 및 제3 전류검출기(142)(143)를 통해 역전류가 검출되며, 양방향 컨버터(130)의 제1스위칭소자(T1)가 앞서 설명된 듀티비 조정방식에 의해 결정된 듀티 사이클로써 도통(turn-on) 된다. 제1스위칭소자(T1)가 결정된 듀티 사이클로써 도통(turn-on)된 상태에서 제1인덕터(L1)에서 일시적으로 회생되는 전류를 저장한다.
또한, 제1스위칭소자(T1)가 설정된 듀티 사이클로 구동되는 과정에서 제1스위칭 소자(T1)가 오프되는 기간에는 제1인덕터(L1)에 저장된 전류는 제2다이오드(D2)를 통하여 보조 충전부(120)에 전류를 저장을 하고 다시 제1스위칭소자(T1)가 도통(Turn-On) 되면 제2인덕터(L2)에 저장되었던 전류는 제1인덕터(L1)에 전달되어 에너지를 저장하게 된다. 이 과정에서 보조충전부(120)는 각 슈퍼커패시터(121)가 단자전압에 도달될 때 까지 차례차례 충전을 하게 되고 정격전압에 이르게 되면 더 이상 충전되지 않도록 제어된다.
한편, 회생전력이 제2전류검출기(142)에서 검출되지 않을 경우, 즉 정상적인 모터(230)로 부하전류가 공급되는 경우에는 보조 충전부(120)의 슈퍼 커패시터(121)에 저장된 전기 에너지를 모터(230)에 공급하기 위해 제2스위칭소자(T2)를 앞서 설명된 듀티 조정방식에 의해 결정된 PWM 듀티 사이클로 도통(turn-on)하게 되고, 이때, 방전전류는 제1인덕터(L1)에 저장을 하게 된다.
또한, 제2스위칭소자(T2)가 턴오프(Turn-Off) 상태에서는 제1인덕터(L1)에 저장된 전류는 제1다이오드(D1)를 통하여 방전하여 다시 모터(230) 부하에 전기 에너지를 공급하게 된다. 방전동작 중이라도 회생전력이 제2전류검출기(142)에서 다시 검출이 되거나 보조 충전부(120)의 단자전압이 설정된 방전제한 전압 예를 들면, 정격전압의 1/2에 도달하게 되면 방전동작은 정지되도록 제어되며, 다시 충전동작을 준비하게 된다.
<시물레이션 결과 및 분석>
본 실시예에서는 보조 충전부(120)로서 100F 2.7V 용량을 갖는 10개의 슈퍼 커패시터(121)를 사용하여 출력전압은 10F 27V이고, 10A 부하전류와 20㏀의 균등화용 저항소자(123)를 사용하였다.
제안된 회로의 성능을 확인하기 위해 미국 안소프트사(Ansoft Co.)에서 제공하는 심플러 툴(Simplorer Tool)을 이용한 회로 시물레이션을 수행하였다.
시물레이션 조건은 제동모드에서는 발전기 역할에 의한 전압원으로 가정되고 반대로 정상적인 모터 부하인 경우에는 모터부하로 가정하였다.
시물레이션에 사용된 능동조사의 파라메터는 아래의 <표 1>과 같다.
파라메터 단위 값 비고
L1 mH 0.2
L2 mH 0.1
C1 uF 200
PI Gain 1+100/s PI 제어기
PWM 스위칭 주파수 kHz 20
- 회생제동시 회로의 시물레이션 결과 및 분석
회생제동에 따른 회로 시물레이션 결과는 도 5 내지 도 10을 통해 전류흐름과 전압상태를 구분하여 도시되어 있다.
도 5는 보조 충전부의 슈퍼커패시터 충전전류, 도 6은 제1인덕터(L1) 유입전류, 도 7은 배터리 충전전류, 도 8은 보조 충전부의 슈퍼커패시터 충전 전압, 도 9는 제1스위칭소자(T1) 입력전압(L1), 도 10은 제1인덕터 전압을 각각 나타낸다.
도면을 통해 알 수 있는 바와 같이 회생제동기간(0-0.2msec)에는 회생전력 발생시 보조충전부(120)의 슈퍼커패시터(121)에서 일시적으로 충전하여 충전전압이 램프적으로 상승하여 27[V]에 이르고 충전전압에 도달하면 더 이상 충전하지 않는다. 이 과정에서 배터리(110) 충전전류 및 제1인덕터(L1) 전압 등을 확인할 수 있다. 또한, 배터리(110)에 충전되는 전류는 거의 0에 가까워지고 대부분이 보조충전부(120)의 슈퍼커패시터(121)에 충전됨을 알 수 있다.
- 정상적인 모터 가속시 회로의 시물레이션 결과 및 분석
가속시 회로 시물레이션 결과는 도 11 내지 도 14에 전류흐름과 전압상태가 도시되어 있다. 도 11은 보조 충전부의 슈퍼커패시터 전류흐름, 도 12은 양방향 인터버(130)의 전류흐름, 도 13은 배터리 전류흐름, 도 14는 보조 충전부의 슈퍼커패시터 전압상태를 각각 나타낸다.
정상적으로 전기차량(250)의 모터(230)에 전력을 공급할 경우에는 보조충전부(120)의 슈퍼커패시터(121) 전류는 역으로 흐르게 되어 모터(230)로 전력을 공급하고, 일부는 배터리(110)에 전력을 충전함으로써 배터리(110)에 저장된 전력이 증가됨으로써 배터리(110)의 사용시간을 늘리는 효과를 얻는다.
방전초기 약 0.15msec 이내에 보조충전부(120)의 슈퍼커패시터(121) 방전전류는 0A로 방전되어 슈퍼커패시터(121)에 저장되었던 전류가 모두 방전되어 재충전 준비를 하고 있음을 뜻한다. 반면에 이후에는 모터부하전류 -50A가 흘러 커패시터 충전전류는 반대방향으로 전류가 흘러 방전하고 있음을 뜻한다. 보조 충전부(120)의 전체 슈퍼 커패시터 전압이 1.0pu[V] 이하가 될 경우에는 방전을 멈추고 이후에는 배터리(110)에서 부하전류가 흐름을 알 수 있다.
<성능분석>
제안된 회로의 성능을 검증하기 위해 전기자전거를 이용하여 성능시험을 수행하였다. 회로에 사용된 실험장치는 24V, 250W, 1800rpm 브러시리스 모터의 전기자전거를 사용하였으며 시뮬레이션을 통해 확인된 바와 같은 충방전 성능을 확인하였다.
110: 배터리 120: 보조 충전부
121: 슈퍼 커패시터 130: 양방향 컨버터
170: 인버터 200: 제어유니트

Claims (8)

  1. 전기차량의 바퀴 구동용 전동기에 인버터를 통해 전력을 공급할 수 있도록 된 배터리와;
    적어도 하나의 슈퍼커패시터가 직렬로 상호 접속된 보조 충전부와;
    제어신호에 따라 전류도통방향을 전환할 수 있도록 상기 배터리와 상기 보조 충전부 사이에 접속된 양방향 컨버터와;
    상기 인버터로 공급되는 부하전류와, 제동시 상기 전동기로부터 상기 인버터를 통해 역으로 흐르는 회생 전류와, 상기 배터리와 상기 양방향 컨버터 사이에 흐르는 충/방전 전류를 검출하는 전류검출부와;
    상기 전기차량의 속도를 검출하는 속도검출부와;
    상기 속도검출부와 상기 전류검출부에서 출력된 정보를 이용하여 상기 양방향 컨버터를 제어하되 상기 전기차량이 가속모드인지 제동모드인지를 판단하여 제동모드시에는 상기 보조충전부가 정격전압에 도달할 때까지 상기 회생전류가 충전되도록 상기 양방향 컨버터를 제어하되 상기 보조충전부의 충전전압에 따라 상기 양방향 컨버터의 스위칭 주기내에 도통되는 시간의 비인 듀티비를 가변하여 제어하는 제어유니트;를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기차량의 회생제동장치의 에너지 충방전 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 양방향 컨버터는
    상기 제어유니트의 제어신호에 의해 스위치 온/오프되며 상기 배터리의 양극단자로부터 상기 보조 충전부의 양극단자 방향으로 전류도통경로를 형성하도록 접속된 제1 스위칭소자와;
    상기 제1스위칭소자와 병렬접속되되 상기 제1스위칭소자의 전류도통방향에 대해 역방향으로 전류도통경로를 형성하도록 접속된 제1다이오드와;
    상기 보조 충전부의 양극단자와 음극단자 사이에 병렬접속되어 상기 보조 충전부의 양극단자로부터 상기 보조 충전부의 음극단자 방향으로 전류도통경로를 형성하도록 접속된 제2스위칭 소자와;
    상기 제2스위칭소자와 병렬접속되되 상기 제2스위칭소자의 전류도통방향에 대해 역방향으로 전류도통경로를 형성하도록 접속된 제2다이오드;를 구비하고,
    상기 보조충전부의 양극단자로부터 상기 제2스위칭소자로 이어지는 전류도통경로상에 설치된 제1인덕터;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전기차량의 회생제동장치의 에너지 충방전 제어 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 전류검출부는
    상기 인버터로 공급되는 부하전류를 검출하는 제1전류 검출기와;
    상기 전기차량의 제동시 상기 전동기로부터 상기 인버터를 통해 역으로 흐르는 회생 전류를 검출하는 제2전류검출기와;
    상기 배터리와 상기 양방향 컨버터 사이에 흐르는 충/방전 전류를 검출하는 제3전류검출기;를 구비하고,
    상기 제어유니트는 상기 제2전류 검출기에서 회생전류가 검출되면 상기 제동모드로 판단하는 것을 특징으로 하는 전기차량의 회생제동장치의 에너지 충방전 제어 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 보조충전부의 충방전시 발생되는 과전압을 억제하기 위해 상기 제1스위칭소자와 상기 배터리의 양극단자 사이에 접속된 제2인덕터와, 상기 양방향 컨버터와 병렬접속된 제1커패시터로 된 과전압 완충부;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전기차량의 회생제동장치의 에너지 충방전 제어 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제어유니트는
    상기 속도검출부에서 검출된 상기 전기차량의 속도와 상기 부하전류와 상기 회생전류로부터 기준 충/방전 전류를 산출하는 기준충/방전 전류치 산출부와;
    상기 기준 충/방전전류와 상기 충/방전전류와의 오차가 감쇠되도록 비례적분 하는 비례적분제어기와;
    상기 비례적분제어기의 출력신호를 기준으로 상기 양방향 컨버터를 구동하기 위한 듀티비를 조정하는 듀티비 조정부와;
    상기 듀티비 조정부에 의해 조정된 듀티비에 대응되는 펄스폭 제어신호를 생성하는 펄스폭 변조부와;
    상기 펄스폭 변조부에 의해 생성된 구동 펄스 신호를 제동모드시에는 상기 제1스위칭소자에 인가하고, 가속모드시에는 상기 제2스위칭 소자에 인가하는 스위칭 구동부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기차량의 회생제동장치의 에너지 충방전 제어 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 보조 충전부는
    직렬로 접속된 복수개의 슈퍼커패시터 각각과 병렬접속된 저항소자와;
    상기 보조 충전부의 양단과 병렬접속된 제너다이오드;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전기차량의 회생제동장치의 에너지 충방전 제어 장치.
  7. 전기차량의 바퀴 구동용 전동기에 인버터를 통해 전력을 공급할 수 있도록 된 배터리와 양방향 컨버터를 통해 병렬접속된 보조 충전부를 갖는 전기차량의 회생제동장치의 에너지 충방전 제어 방법에 있어서,
    가. 충방전시 상기 양방향 컨버터에 적용할 기준 듀티비를 설정하는 단계와;
    나. 상기 전기차량의 속도와 상기 인터버로 공급되는 부하전류 및 상기 회생전류로부터 요구되는 기준 충/방전전류를 산출하는 단계와;
    다. 상기 기준 충/방전전류와 상기 양방향 컨버터를 통해 흐르는 충/방전전류의 차이가 저감되게 비례적분 제어를 수행하는 단계와;
    라. 상기 전동기로부터 인버터를 통해 역으로 흐르는 회생전류가 검출되는 지로부터 제동모드인지 가속모드인지를 판단하는 단계와;
    마. 상기 라 단계에서 제동모드로 판단되면 상기 배터리의 전압이 설정된 제1기준전압 보다 크고, 상기 보조 충전부의 전압이 설정된 제2기준전압 이하인지를 판단하는 단계와;
    바. 상기 마 단계에서 상기 배터리의 전압이 설정된 제1기준전압 보다 높고, 상기 보조 충전부의 충전 전압이 설정된 제2기준전압 이하이면 상기 양방향 컨버터에 인가되는 펄스폭의 듀티비를 증가시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기차량의 회생제동장치의 에너지 충방전 제어 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 마 단계에서 상기 배터리의 전압이 설정된 제1기준전압 이하이거나, 상기 보조 충전부의 전압이 설정된 제2기준전압을 초과한 것으로 판단되면 상기 양방향 컨버터에 인가되는 펄스폭의 듀티비를 감소시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기차량의 회생제동장치의 에너지 충방전 제어 방법.
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