KR20120094377A - 전기자동차의 회생 제동에 의한 구동전력 관리 모듈 및 그 방법 - Google Patents

전기자동차의 회생 제동에 의한 구동전력 관리 모듈 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기자동차의 회생 제동에 의한 구동전력 관리 모듈 및 그 방법에 관한 것으로, 주행시 전기자동차에 구동력을 전달하는 구동모터와, 상기 구동모터에 전력을 제공하는 메인 배터리와, 상기 전기자동차의 제동시 또는 감속시 상기 구동모터로부터 발생되는 전기를 축전하고 상기 메인 배터리를 충전시키는 보조 배터리와, 상기 전기자동차가 주행할 때 상기 구동모터를 메인 배터리와 연결시키고 상기 전기자동차가 제동 또는 감속할 때 상기 구동모터를 상기 보조 배터리와 연결시키는 절환 유니트를 포함하는 모듈을 이용하여, 전기자동차의 주행시에 구동모터의 가동에 필요한 전력을 메인 배터리로부터 공급받고 전기자동차의 제동 또는 감속시에 구동모터로부터 발생되는 전기를 보조 배터리에 축전하는 일련의 선택적인 동작을 전기자동차의 운행 상태에 따라 반복하는 일반 관리 단계와, 상기 메인 배터리를 구성하는 복수의 배터리 셀 중 내부 저항값이 설정범위보다 큰 배터리 셀에 상기 보조 배터리를 연결시켜 축전된 전력을 공급하면서 상기 배터리 셀을 충전하는 전력 조정 단계를 포함하며, 상기 전력 조정 단계에서는 상기 구동모터는 상기 메인 배터리와 연결되고, 상기 일반 관리 단계와 상기 전력 조정 단계는 반복되는 것이다.

Description

전기자동차의 회생 제동에 의한 구동전력 관리 모듈 및 그 방법{MODULE AND METHOD OF DRIVING POWER MANAGEMENT BY REGENERATIVE BRAKING FOR ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 전기자동차의 회생 제동에 의한 구동전력 관리 모듈 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기자동차가 급감속 및 제동시 구동모터로부터 발생된 전기를 메인 배터리의 충전용으로 활용하면서 전기자동차의 주행거리를 연장할 수 있도록 하는 전기자동차의 회생 제동에 의한 구동전력 관리 모듈 및 그 방법에 관한 것이다.
전기자동차는 배터리의 전기가 소모되면 더 이상 주행할 수 없으므로 외부로부터 전원을 공급받아 배터리를 충전해야 다시 운행을 재개할 수 있기 때문에, 현재 부피는 차지하지 않으면서도 장시간 사용이 가능한 배터리와, 주행거리를 늘릴 수 있는 전기자동차의 개발에 각국이 뛰어들고 있는 추세이다.
예를 들어, 전기자동차의 배터리 전압과 구동모터 전압이 동일하면, 차량의 제동시 구동모터가 발전기 역할로 변하면서 발생하는 전기량은 배터리의 전압보다 낮기 때문에 배터리를 충전하기에 충분한 전압을 얻을 수 없다.
이에 비해, 최근 도요타 자동차를 포함한 전기자동차의 선도업체에서는 200V에서 작동하는 배터리와 600V에서 작동하는 구동모터를 탑재하는 것과 같이 배터리의 전압보다 구동모터의 전압을 높인 전기자동차를 출시하는 추세이다.
따라서, 이와 같은 경우에는 전기자동차가 제동할 때 발생되는 전력을 인버터를 통하여 승압시켜 배터리에 충전하지만, 제동시 발생되는 에너지가 인버터를 통하여 승압되는 효율은 현재 낮은 편이므로, 충전이 원활히 진행되지 못하는 실정이다.
더구나, 전기자동차용 인버터는 매우 고가이므로, 상용화 및 대중화에 큰 걸림돌이 된다.
또한, 전기자동차의 배터리는 충방전이 반복될수록 전압의 불균형 현상이 일어나며, 특히 급속한 충방전으로 인하여 배터리를 구성하는 복수의 배터리 셀 상호간에 전압 불균형이 심화될 수 있다.
이는 배터리의 내부저항이 증가할 때 각각의 배터리 셀마다 내부저항 증가량에 차이가 있기 때문이며, 배터리의 충전효율은 내부저항이 가장 큰 배터리 셀로 인하여 저하된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 안출된 것으로, 전기자동차가 급감속 및 제동시 구동모터로부터 발생된 전기를 메인 배터리의 충전용으로 활용하면서 전기자동차의 주행거리를 연장할 수 있도록 하는 전기자동차의 회생 제동에 의한 구동전력 관리 모듈 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 주행시 전기자동차에 구동력을 전달하는 구동모터와, 상기 구동모터에 전력을 제공하는 메인 배터리와, 상기 전기자동차의 제동시 또는 감속시 상기 구동모터로부터 발생되는 전기를 축전하고 상기 메인 배터리를 충전시키는 보조 배터리와, 상기 전기자동차가 주행할 때 상기 구동모터를 메인 배터리와 연결시키고 상기 전기자동차가 제동 또는 감속할 때 상기 구동모터를 상기 보조 배터리와 연결시키는 절환 유니트를 포함하며, 상기 메인 배터리는 상기 보조 배터리와의 연결로 충전되는 구조를 적용할 수 있다.
그리고, 본 발명은 전기자동차의 주행시에 구동모터의 가동에 필요한 전력을 메인 배터리로부터 공급받고 전기자동차의 제동 또는 감속시에 구동모터로부터 발생되는 전기를 보조 배터리에 축전하는 일련의 선택적인 동작을 전기자동차의 운행 상태에 따라 반복하는 일반 관리 단계와, 상기 메인 배터리를 구성하는 복수의 배터리 셀 중 내부 저항값이 설정범위보다 큰 배터리 셀에 상기 보조 배터리를 연결시켜 축전된 전력을 공급하면서 상기 배터리 셀을 충전하는 전력 조정 단계를 포함하며, 상기 전력 조정 단계에서는 상기 구동모터는 상기 메인 배터리와 연결되고, 상기 일반 관리 단계와 상기 전력 조정 단계는 반복되는 방법의 적용 또한 가능함은 물론이다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과를 도모할 수 있다.
우선, 감속 또는 제동시 구동모터에 의하여 생산되는 전력을 보조 배터리에 축적하고, 절환 유니트를 이용하여 내부저항이 다른 배터리 셀보다 높은 배터리 셀에 보조 배터리를 연결하여 충전토록 하는 구조 및 방법을 채택하여 배터리의 전압 불균형을 방지하여 충전 효율을 높이고 주행 거리를 연장시킬 수 있다.
그리고, 본 발명은 고가의 인버터 및 인버터 회로와 같은 불필요한 구성부품을 줄이고, 절환스위치와 컨트롤러를 포함하는 일체의 구성을 모듈화하여 기존의 전기자동차에 용이하게 적용시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차의 회생 제동에 의한 구동전력 관리 모듈이 적용된 차량의 일반 주행시 회로 결선의 상태를 나타낸 개념도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차의 회생 제동에 의한 구동전력 관리 모듈이 적용된 차량의 제동 또는 감속시 회로 결선의 상태를 나타낸 개념도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차의 회생 제동에 의한 구동전력 관리 모듈이 적용된 차량의 메인 배터리를 충전시키는 상태를 나타낸 개념도
도 4 내지 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차의 회생 제동에 의한 구동전력 관리 모듈이 적용된 차량의 메인 배터리를 구성하는 일부의 배터리 셀과 보조 배터리가 연결된 상태를 나타낸 개념도
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차의 회생 제동에 의한 구동전력 관리 방법을 나타낸 블럭선도
이하, 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차의 회생 제동에 의한 구동전력 관리 모듈이 적용된 차량의 일반 주행시 회로 결선의 상태를 나타낸 개념도이다.
본 발명은 도시된 바와 같이 구동모터(100)와 메인 배터리(200)와 보조 배터리(300) 및 절환 유니트(400)를 포함하는 구성임을 알 수 있다.
구동모터(100)는 주행시 전기자동차(이하 미도시)에 구동력을 전달하고, 메인 배터리(200)는 구동모터(100)에 전력을 제공하며, 보조 배터리(300)는 회생 제동에 의한 발전이 가능하도록 전기자동차가 제동할 때나 내리막을 주행하면서 감속할 때 등의 경우에 발생되는 전기를 축전하고, 메인 배터리(200)를 충전시키는 것이다.
여기서, 절환 유니트(400)는 전기자동차가 주행할 때 구동모터(100)를 메인 배터리(200)와 연결시키고, 전기자동차가 제동 또는 감속할 때 구동모터(100)를 보조 배터리(300)와 연결시키는 역할을 하는 것으로, 메인 배터리(200)는 보조 배터리(300)와의 연결로 충전된다.
따라서, 절환 유니트(400)는 종래의 전기자동차에서 원활한 충전을 위하여 필요한 인버터와 같이 고가에 부피가 매우 큰 부품이 일체 필요 없으므로, 기존의 인버터가 차지하는 공간만큼 다양한 편의를 제공할 수 있는 기타 부품을 장착하거나 구동모터(100)와 메인 배터리(200) 및 보조 배터리(300)의 용량 및 용적을 증대시킬 수 있을 것이다.
본 발명은 상기와 같은 실시예의 적용이 가능하며, 이외에도 다음과 같은 다양한 실시예의 적용이 가능함은 물론이다.
메인 배터리(200)는 전술한 바와 같이 전기자동차의 구동모터(100)에 주행에 필요한 동력을 제공하는 것으로, 도 2를 참고하면 일거에 방전되어 주행 불능이 되는 상태를 방지하고, 잔여 전력으로도 주행이 가능하도록 복수의 배터리 셀(210, 220, 230, 240, 250, 260)로 구성되는 것이 바람직하다.
여기서, 구동모터(100)와 메인 배터리(200)와 보조 배터리(300) 및 절환 유니트(400)는 컨트롤러(500)와 전기적으로 연결되어 각각의 구동 및 축전과 방전, 그리고 충전 등을 제어받게 된다.
절환 유니트(400)는 도시된 바와 같이 스위치(410, 420)를 포함하며, 스위치(410, 420) 각각은 구동모터(100)와 메인 배터리(200)의 전기적 연결이 되도록 하거나, 구동모터(100)와 메인 배터리(200)의 전기적 연결을 해제한 후 별도의 연결단자(201, 202)를 통하여 구동모터(100)와 보조 배터리(300)를 연결하여 도 3과 같이 축전이 되도록 하거나, 도 4와 같이 보조 배터리(300)의 축전된 전력을 메인 배터리(200)에 공급하여 충전되도록 할 수 있다.
참고로, 도 3 및 도 4는 편의상 컨트롤러(500) 및 컨트롤러(500)와의 전기적 연결관계를 생략하였고, 이후의 도면도 마찬가지이며 컨트롤러(500)의 전기적 연결관계는 도 2를 참고하면 될 것이다.
즉, 절환 유니트(400)는 전기자동차가 제동할 때나 내리막 경사로를 감속 주행하는 경우 도 3과 같이 컨트롤러(500)에 의하여 스위치(410, 420)의 조작으로 구동모터(100)와 메인 배터리(200)와의 전기적 연결을 해제하고 연결단자(201, 202)를 통하여 보조 배터리(300)의 연결단자(301, 302)와 전기적 연결을 실시한다.
이후, 전류는 도 2에 도시된 방향과 역방향으로 흐르면서 구동모터(100)로부터 발생되는 전력은 보조 배터리(300)에 저장되는 것이다.
계속하여 절환 유니트(400)는 전기자동차가 주행을 재개하면 다시 도 2와 같은 상태, 즉 컨트롤러(500)에 의하여 스위치(410, 420)의 조작으로 구동모터(100)와 메인 배터리(200)를 전기적으로 연결하여 메인 배터리(200)의 전력으로 구동모터(100)를 가동시킨다.
따라서, 전기자동차가 일반적인 운전 상태, 즉 주행과 제동 및 경사로 등 노면 상태에 따른 감속 등 일련의 동작을 수행하면 도 2 및 도 3의 상태를 상호 반복하게 되는 것이다.
한편, 절환 유니트(400)는 도 4와 같이 배터리 셀(210, 220, 230, 240, 250, 260) 중에서 내부 저항값이 컨트롤러(500)의 설정범위보다 큰 배터리 셀(230)을 보조 배터리(300)의 연결단자(301, 302)와 연결시키게 되면, 해당 배터리 셀(230)의 충전이 이루어져 각 배터리 셀(210, 220, 230, 240, 250, 260)의 전압 불균형 상태는 해소된다.
이때, 구동모터(100)는 메인 배터리(200)와 전기적으로 연결되면서 메인 배터리(200)의 충전과는 관계없이 일반적인 운행을 실시할 수 있는 것이다.
또한, 보조 배터리(300)에는 신속한 충전 및 방전이 이루어질 수 있도록 슈퍼캐패시터(320)를 포함하고, 충방전 회로의 작동 안정성을 유지하기 위하여 저항기(330)가 더 포함되는 것이 바람직하다.
한편, 보조 배터리(300)의 연결단자(301, 302)는 메인 배터리(200)의 각 배터리 셀(210, 220, 230, 240, 250, 260)에 구비된 연결단자(222, 232, 242, 252, 262)와 도 5 내지 도 7과 같이 연결되는 구조임을 알 수 있다.
즉, 보조 배터리(300)는 도 5와 같이 연결단자(301, 302)에 각각 구비된 연결 스위치(312, 314)와 배터리 셀(210, 220, 230, 240, 250, 260)에 구비된 연결단자(222, 232, 242, 252, 262) 중 일부 연결단자(222, 232)를 상호 연결하여 충전시킬 수 있는 것이다.
이중, 도 6과 같이 연결단자(301)와 연결단자(201)를 상호 연결하는 스위치(312)는 보조 배터리(300)의 양극을 선택하며, 도 7과 같이 연결단자(302)와 연결단자(202)를 상호 연결하는 스위치(314)는 보조 배터리(300)의 음극을 선택하는 스위치가 되는 것이다.
따라서, 보조 배터리(300)는 전술한 바와 같은 이중 구조의 스위치를 이용하여 도 8과 같이 메인 배터리(200) 중에서 일부 배터리 셀(220)의 전압이 나머지 배터리 셀(210, 230, 240, 250, 260)에 비하여 낮고 내부 저항이 높을 경우 연결단자(301, 302) 각각을 배터리 셀(210, 220, 230, 240, 250, 260)의 일부 연결단자(222, 232)와 연결시켜 충전시킬 수 있다.
또한, 보조 배터리(300)는 도 9와 같이 배터리(200) 중에서 복수의 배터리 셀(220, 230)의 전압이 나머지 배터리 셀(210, 240, 250, 260)에 비하여 낮고 내부 저항이 높을 경우 연결단자(301, 302) 각각을 배터리 셀(210, 220, 230, 240, 250, 260)의 일부 연결단자(222, 242)와 연결시켜 충전시킬 수 있다.
상기와 같이 다양한 실시예에 따른 전기자동차의 회생 제동에 의한 구동전력 의 관리는 도 10에 도시된 바와 같이 일반 관리 단계(S10)와 전력 조정 단계(S20)를 포함하는 방법으로 실시할 수 있다.
즉, 일반 관리 단계(S10)에서는 전기자동차의 주행시에 구동모터(100)의 가동에 필요한 전력을 메인 배터리(200)로부터 공급받고, 전기자동차의 제동 또는 감속시에 구동모터(100)로부터 발생되는 전기를 보조 배터리(300)에 축전하는 일련의 선택적인 동작을 전기자동차의 운행 상태에 따라 반복하는 것이다.
그리고, 전력 조정 단계(S20)에서는 메인 배터리(200)를 구성하는 복수의 배터리 셀(210, 220, 230, 240, 250, 260) 중 내부 저항값이 설정범위보다 큰 배터리 셀(도 10에서는 미지정)에 보조 배터리(300)를 연결시켜 축전된 전력을 공급하면서 배터리 셀(미지정)을 충전하게 된다.
여기서, 전력 조정 단계(S20)에서는 구동모터(100)는 메인 배터리(200)와 연결되고, 일반 관리 단계(S10)와 전력 조정 단계(S20)는 반복되면서 전력을 생산하고 축전과 충방전을 반복하며 전기자동차의 주행거리를 연장하고 에너지 효율을 높일 수 있는 것이다.
이상과 같이 본 발명은 전기자동차가 급감속 및 제동시 구동모터로부터 발생된 전기를 메인 배터리의 충전용으로 활용하면서 전기자동차의 주행거리를 연장할 수 있도록 하는 전기자동차의 회생 제동에 의한 구동전력 관리 모듈 및 그 방법을 제공하는 것을 기본적인 기술적 사상으로 하고 있음을 알 수 있다.
그리고, 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서 당해 업계 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형 및 응용 또한 가능함은 물론이다.
100...구동모터 200...메인 배터리
300...보조 배터리 400...절환 유니트
500...컨트롤러

Claims (4)

  1. 주행시 전기자동차에 구동력을 전달하는 구동모터;
    상기 구동모터에 전력을 제공하는 메인 배터리;
    상기 전기자동차의 제동시 또는 감속시 상기 구동모터로부터 발생되는 전기를 축전하고, 상기 메인 배터리를 충전시키는 보조 배터리; 및
    상기 전기자동차가 주행할 때 상기 구동모터를 메인 배터리와 연결시키고, 상기 전기자동차가 제동 또는 감속할 때 상기 구동모터를 상기 보조 배터리와 연결시키는 절환 유니트;를 포함하며,
    상기 메인 배터리는 상기 보조 배터리와의 연결로 충전되는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 회생 제동에 의한 구동전력 관리 모듈.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 메인 배터리는 복수의 배터리 셀로 구성되고,
    상기 절환 유니트와 상기 메인 배터리와 상기 보조 배터리 및 상기 구동모터는 컨트롤러와 전기적으로 연결되며,
    상기 절환 유니트는 상기 배터리 셀 중에서 내부 저항값이 상기 컨트롤러의 설정범위보다 큰 배터리 셀을 상기 보조 배터리와 연결시키는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 회생 제동에 의한 구동전력 관리 모듈.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 보조 배터리에는 슈퍼캐패시터 및 저항기가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 회생 제동에 의한 구동전력 관리 모듈.
  4. 전기자동차의 주행시에 구동모터의 가동에 필요한 전력을 메인 배터리로부터 공급받고, 전기자동차의 제동 또는 감속시에 구동모터로부터 발생되는 전기를 보조 배터리에 축전하는 일련의 선택적인 동작을 전기자동차의 운행 상태에 따라 반복하는 일반 관리 단계;
    상기 메인 배터리를 구성하는 복수의 배터리 셀 중 내부 저항값이 설정범위보다 큰 배터리 셀에 상기 보조 배터리를 연결시켜 축전된 전력을 공급하면서 상기 배터리 셀을 충전하는 전력 조정 단계;를 포함하며,
    상기 전력 조정 단계에서는 상기 구동모터는 상기 메인 배터리와 연결되고,
    상기 일반 관리 단계와 상기 전력 조정 단계는 반복되는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 회생 제동에 의한 구동전력 관리 방법.
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