KR20140083353A

KR20140083353A - 연료전지 차량의 전원 회생 장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR20140083353A
Application number: KR1020120153000A
Authority: KR
Inventors: 안일환; 이영훈; 박희권; 박성준; 신승환; 조경석
Original assignee: 한라비스테온공조 주식회사
Priority date: 2012-12-26
Filing date: 2012-12-26
Publication date: 2014-07-04

Abstract

본 발명은 연료전지 차량의 전원 회생 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일실시예에 의하면, 차량 주행중 풍력에 의해 회전하는 냉각팬을 이용하여, 팬모터로부터 발생되는 전력을 배터리에 충전할 수 있는 연료전지 차량의 전원 회생 장치 및 그 방법이 제공된다.

Description

연료전지 차량의 전원 회생 장치 및 그 방법{SYSTEM AND METHOD OF POWER REGENERATION FOR FUEL CELL VEHICLE}

본 발명은 전원 회생 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 차량 주행시 냉각팬의 팬모터에서 발생되는 전력이 저전압 배터리에 충전되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 전원 회생 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

최근, 자동차 배기가스에 의한 환경 오염을 줄이고, 제한된 석유자원에 대응할 수 있도록, 자동차의 동력원으로서 전통적인 내연기관 엔진 이외의 대체 동력원을 사용하고자 하는 시도가 이루어지고 있다.

그 대표적인 예로 연료전지 차량을 들 수 있는데, 일반적으로 연료전지 차량은, 연료공급부에서 공급되는 수소와, 공기공급부에서 공급되는 공기 중 산소가 가습기에 공급되어, 물의 전기분해 역반응인 전기화학반응에 의해 전기에너지를 연속적으로 생성하고, 이렇게 생성된 전기에너지를 사용하여 모터를 구동함으로써 자동차의 주행에 필요한 동력을 얻게 된다.

이때, 생성된 전기에너지는 일단 배터리에 저장되었다가 필요한 때 모터로 공급되는데, 최근에는 전기에너지의 효율적인 이용을 위해, 차량 제동시 제동력의 일부를 발전에 사용하여, 이때 발생된 전기에너지로 배터리를 충전하려는 시도가 이루어지고 있다.

즉, 자동차의 주행속도에 의한 운동에너지의 일부를 발전기의 구동에 필요한 에너지로 사용함으로써, 제동시 운동에너지의 저감(주행속도의 감소)과 전기에너지의 발전을 동시에 구현하는 것이다.

이러한 방식의 제동방법을 회생제동(regenerative braking)이라고 하는데, 회생제동시 전기에너지의 생성은 별도의 발전기로써 모터를 역구동함으로써 이루어질 수 있으며, 예컨대 한국공개특허 제10-2008-0044097호(특허문헌 1)에서는 수퍼커패시터를 이용한 연료전지 차량의 회생제동 시스템을 개시하고 있다.

한편, 일반적인 차량의 냉각 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 냉매를 압축하는 압축기(1), 압축기(1)에서 압축된 냉매를 응축하는 응축기(2), 응축기(2)에서 응축되어 액화된 냉매를 급속히 팽창시키는 팽창밸브(3), 그리고 팽창밸브(3)에서 팽창된 냉매를 증발시키면서 냉매의 증발잠열을 이용하여 차량 실내로 송풍되는 공기를 냉각하는 증발기(4)로 구성된다.

이때, 응축기(2)의 일측에는 팬모터(6)의 구동에 의해 회전하는 냉각팬(5)이 설치되어 응축기(2)의 냉매를 냉각시키는 한편, 실외의 공기를 실내로 도입하는데, 이에 따라 냉각팬(5)은 차량의 전방에 설치되며, 팬모터(6)가 구동하지 않는 경우에는 주행시 풍력에 의해 냉각팬(5)이 공회전하는 윈드밀링(wind milling) 현상이 발생하게 된다.

그런데, 상술한 바와 같은 회생제동에 의한 발전방식은, 차량의 주행에 필요한 구동력을 제공하는 구동모터에 주로 적용되고 있으며, 차량 냉각 시스템에 구비되는 팬모터의 경우에는 그 적용이 제한되었다.

이는, 팬모터의 구동정지시, 공급되는 전원만 차단하면 되고 굳이 회생제동을 통해 모터를 감속시킬 필요가 없기 때문이었는데, 에너지의 효율적인 이용 측면에서는, 냉각팬의 공회전시 버려지는 에너지를 전기에너지로 회수하여 배터리에 저장하는 방안을 강구할 필요가 있다.

KR

10-2008-0044097

A (2008.05.20 공개)

본 발명은 상술한 바와 같은 필요에 의해 안출된 것으로, 본 발명의 일실시예는, 차량 주행중 풍력에 의해 회전하는 냉각팬을 이용하여, 팬모터로부터 발생되는 전력을 배터리에 충전할 수 있는 연료전지 차량의 전원 회생 장치 및 그 방법의 제공을 목적으로 한다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 의하면, 연료전지에서 발생된 전력이 충전되며, 차량의 구동모터에 전력을 제공하는 고전압 배터리; 상기 고전압 배터리로부터 제공되는 전력을 공급받아 구동하는 팬모터; 상기 팬모터의 구동에 의해 회전하는 냉각팬; 및 상기 고전압 배터리로부터 상기 팬모터에 공급되는 전력이 차단되고 차량 주행시 발생되는 풍력에 의해 상기 냉각팬이 회전할 때, 상기 팬모터로부터 발생되는 전력이 충전되는 저전압 배터리;를 포함하는 연료전지 차량의 전원 회생 장치가 제공된다.

여기서, 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 차량의 전원 회생 장치는, 상기 팬모터와 상기 저전압 배터리에 전기적으로 연결되며, 상기 팬모터로부터 발생되는 AC 전력을 DC 전력으로 변환하여 상기 저전압 배터리에 제공하는 전원회생 컨버터를 더 포함할 수 있다.

이때, 상기 전원회생 컨버터는, 상기 팬모터의 구동을 제어하는 인버터와 일체로 상기 팬모터의 일측에 구비되는 것이 바람직하다.

한편, 연료전지로부터 발생된 전력이 고전압 배터리에 충전되고, 상기 고전압 배터리로부터 차량의 구동모터에 전력이 공급되며, 차량의 전방 일측에는 팬모터의 구동에 의해 회전하는 냉각팬이 설치되는 연료전지 차량의 전원 회생 방법에 있어서, 상기 냉각팬이 차량 주행시 발생되는 풍력에 의해 회전할 때, 상기 팬모터로부터 발생되는 전력이 저전압 배터리에 충전되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 전원 회생 방법이 제공된다.

여기서, 상기 팬모터는 상기 고전압 배터리로부터 전력을 공급받아 구동하며, 상기 팬모터의 구동정지시 상기 냉각팬의 회전에 의해 상기 팬모터로부터 발생되는 전력은, 상기 저전압 배터리에 충전된다.

이때, 상기 팬모터로부터 발생되는 AC 전력이 상기 팬모터의 인버터에 일체로 설치되는 전원회생 컨버터에 의해 DC 전력으로 변환되어 상기 저전압 배터리에 충전된다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 연료전지 차량의 전원 회생 장치 및 그 방법에 의하면, 차량 주행시 공회전하는 냉각팬의 에너지를 전기에너지로 변환시켜 배터리에 저장함으로써, 에너지를 효율적으로 이용할 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 일실시예에 의하면, 팬모터에서 발생된 전기에너지가 고전압 배터리와 분리된 별도의 저전압 배터리에 충전되므로, 고전압 배터리에 의해 구동되는 팬모터의 경우에도 적용 가능하다.

도 1은 일반적인 차량의 냉각 시스템을 도시한 블록도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 차량의 전원 회생 장치 구성도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 팬모터가 전동기로서 작동하는 경우를 도시한 블록도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 팬모터가 발전기로서 작동하는 경우를 도시한 블록도.

이하, 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 차량의 전원 회생 장치 및 그 방법의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.

또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 하여 내려져야 할 것이다.

아울러, 아래의 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하며, 본 발명의 명세서 전반에 걸친 기술사상에 포함되고 청구범위의 구성요소에서 균등물로서 치환 가능한 구성요소를 포함하는 실시예는 본 발명의 권리범위에 포함될 수 있다.

실시예

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 차량의 전원 회생 장치 구성도로서, 도 2에 도시된 굵은 화살표는 팬모터(400)에서 생성된 전력이 저전압 배터리(600)에 충전되는 경로를 나타낸다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 차량의 전원 회생 장치(100)는, 고전압 배터리(300)와 팬모터(400), 냉각팬(500), 및 저전압 배터리(600)를 포함하여 구성되며, 여기에 전원회생 컨버터(700)를 더 포함할 수 있다.

연료전지 차량의 경우, 연료전지(200)에서 발생된 전력이 차량의 주행을 위한 구동원으로서 구동모터(미도시)에 제공된다.

이때, 고전압 배터리(300)에는 연료전지(200)에서 발생된 전력이 충전되며, 필요시 고전압 배터리(300)로부터 구동모터에 전력을 공급하게 된다.

또한, 고전압 배터리(300)는 냉각 시스템 작동시 팬모터(400)에 전력을 공급하게 되는데, 팬모터(400) 구동시 팬모터(400)의 회전 샤프트(410) 일측에 결합된 냉각팬(500)이 회전하면서 응축기(미도시) 또는 라디에이터(미도시)를 냉각시키는 한편, 실외의 공기를 실내로 도입하게 된다.

이때, 차량 주행중에는 고전압 배터리(300)에서 팬모터(400)로 공급되는 전력이 차단되더라도, 풍력에 의해 냉각팬(500)이 회전하게 되며, 이러한 냉각팬(500)의 회전에 의해 팬모터(400)에서는 전력이 발생된다.

그런데, 팬모터(400)에서 발생되는 전압은, 팬모터(400)에 전력을 공급하는 고전압 배터리(300)에 비해 더 낮기 때문에, 고전압 배터리(300)에는 충전될 수 없다.

따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 차량의 전원 회생 장치(100)는, 고전압 배터리(300)와 분리된 저전압 배터리(600)를 구비하며, 팬모터(400)에서 발생되는 전력은 이 저전압 배터리(600)에 충전된다.

즉, 팬모터(400)에 전력을 공급하는 배터리와, 팬모터(400)에서 발생된 전력을 공급받아 충전하는 배터리를 각각 별도로 구성함으로써, 팬모터(400)에서 발생된 낮은 전압의 전력을 충전하여 사용할 수 있도록 한 것이다. 이때, 저전압 배터리(600)는 차량의 에어컨, 히터, 냉각기, 또는 각종 전장제품에 전력을 공급하도록 구성될 수 있다.

이와 달리, 고전압 배터리(300)의 전력을 사용하여 저전압 배터리(600)를 충전할 수도 있겠으나, 이 경우 자연적으로 발생하는 전력이 아닌, 인위적으로 전력을 만들어 충전한다는 점에서 결국 수소를 전기분해하여 사용하는 것이기 때문에, 효율성 및 연비가 떨어질 수밖에 없다.

한편, 고전압 배터리(300)에서는 DC 전력이 공급되며, 팬모터(400)는 고전압 배터리(300)로부터 공급된 DC 전력을 인버터(inverter)(800)에 의해 AC 전력으로 변환하여 사용하게 된다.

또한, 냉각팬(500)의 회전에 의해 팬모터(400)에서 발생되는 전력은 AC 전력이며, 따라서 저전압 배터리(600)를 충전하기 위해서는 AC 전력을 DC 전력으로 변환할 필요가 있다.

이를 위해, 팬모터(400)와 저전압 배터리(600)에 각각 전기적으로 연결되는 전원회생 컨버터(converter)(700)가 구비되는데, 이 전원회생 컨버터(700)는, 팬모터(400)의 구동을 제어하는 인버터(800)와 함께 팬모터(400)의 일측에 일체로 구비되는 것이 바람직하다.

예컨대, 팬모터(400)의 외관을 구성하는 하우징의 일측에는 내부에 인버터(800)가 장착되는 인버터 하우징이 형성되는데, 이 인버터 하우징 내에 인버터(800)와 함께 전원회생 컨버터(700)가 장착될 수 있을 것이다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 팬모터가 전동기로서 작동하는 경우를 도시한 블록도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 팬모터가 발전기로서 작동하는 경우를 도시한 블록도이다.

도 3과 도 4를 참고하여 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 차량의 전원 회생 방법을 설명하면 다음과 같다.

차량의 냉각 시스템 작동시 팬모터(400)는 전동기로서 작용한다.

이때, 도 3에 도시된 바와 같이, 연료전지(200)에 의해 충전된 고전압 배터리(300)에서 DC 전압이 공급되며, 고전압 배터리(300)에서 공급된 DC 전압은 인버터(800)를 거치면서 AC 전압으로 변환되어 팬모터(400)에 제공된다.

또한, 팬모터(400)의 구동시 회전 샤프트(410)와 함께 냉각팬(500)이 회전하며, 냉각팬(500)의 회전에 의해 응축기 또는 라디에이터의 냉각과 함께 실외의 공기가 실내로 도입된다.

한편, 차량의 냉각 시스템이 작동하지 않는 상태로 차량 주행중이면, 냉각팬(500)이 풍력에 의해 공회전하며, 팬모터(400)는 발전기로서 작용한다.

이때, 도 4에 도시된 바와 같이, 냉각팬(500)의 회전에 의해 팬모터(400)에서 AC 전력이 생성되며, 이렇게 생성된 AC 전력은 전원회생 컨버터(700)를 거치면서 DC 전력으로 변환되어 저전압 배터리(600)에 충전된다.

즉, 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 차량의 전원 회생 방법은, 주행중 냉각팬(500)의 회전에 의해 자연 발생되는 전력을 저전압 배터리(600)에 충전하여 사용하는 것을 특징으로 하며, 팬모터(400)에 대한 전력의 입/출력을 각각 고전압 배터리(300)와 저전압 배터리(600)로 분리함으로써, 팬모터(400)에 전력을 공급하는 고전압 배터리(300)의 전압보다 팬모터(400)에서 생성된 전력의 전압이 낮더라도, 생성된 전력을 저전압 배터리(600)에 충전 가능하여 효율적으로 에너지를 이용할 수 있게 되는 것이다.

100 : 전원 회생 장치
200 : 연료전지
300 : 고전압 배터리
400 : 팬모터
410 : 회전 샤프트
500 : 냉각팬
600 : 저전압 배터리
700 : 전원회생 컨버터
800 : 인버터

Claims

연료전지(200)에서 발생된 전력이 충전되며, 차량의 구동모터에 전력을 제공하는 고전압 배터리(300);
상기 고전압 배터리(300)로부터 제공되는 전력을 공급받아 구동하는 팬모터(400);
상기 팬모터(400)의 구동에 의해 회전하는 냉각팬(500); 및
상기 고전압 배터리(300)로부터 상기 팬모터(400)에 공급되는 전력이 차단되고 차량 주행시 발생되는 풍력에 의해 상기 냉각팬(500)이 회전할 때, 상기 팬모터(400)로부터 발생되는 전력이 충전되는 저전압 배터리(600);를 포함하는 연료전지 차량의 전원 회생 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 팬모터(400)와 상기 저전압 배터리(600)에 전기적으로 연결되며, 상기 팬모터(400)로부터 발생되는 AC 전력을 DC 전력으로 변환하여 상기 저전압 배터리(600)에 제공하는 전원회생 컨버터(700)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 전원 회생 장치.
청구항 2에 있어서, 상기 전원회생 컨버터(700)는,
상기 팬모터(400)의 구동을 제어하는 인버터(800)와 일체로 상기 팬모터(400)의 일측에 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 전원 회생 장치.
연료전지(200)로부터 발생된 전력이 고전압 배터리(300)에 충전되고, 상기 고전압 배터리(300)로부터 차량의 구동모터에 전력이 공급되며, 차량의 전방 일측에는 팬모터(400)의 구동에 의해 회전하는 냉각팬(500)이 설치되는 연료전지 차량의 전원 회생 방법에 있어서,
상기 냉각팬(500)이 차량 주행시 발생되는 풍력에 의해 회전할 때, 상기 팬모터(400)로부터 발생되는 전력이 저전압 배터리(600)에 충전되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 전원 회생 방법.
청구항 4에 있어서,
상기 팬모터(400)는 상기 고전압 배터리(300)로부터 전력을 공급받아 구동하며, 상기 팬모터(400)의 구동정지시 상기 냉각팬(500)의 회전에 의해 상기 팬모터(400)로부터 발생되는 전력은, 상기 저전압 배터리(600)에 충전되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 전원 회생 방법.
청구항 4에 있어서,
상기 팬모터(400)로부터 발생되는 AC 전력이 상기 팬모터(400)의 인버터(800)에 일체로 설치되는 전원회생 컨버터(700)에 의해 DC 전력으로 변환되어 상기 저전압 배터리(600)에 충전되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 전원 회생 방법.