KR20140125628A - 폐열을 이용하는 차량용 발전기 모듈 및 이를 포함하는 차량용 배터리 보조 충전시스템 - Google Patents
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Abstract
폐열을 이용하는 차량용 발전기 모듈 및 이를 포함하는 차량용 배터리 보조 충전시스템이 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따른 발전기 모듈은, 외관 안에 소구경의 내관이 삽입된 구성을 이루며, 내관에는 고온의 열에너지를 포함하는 작동유체(배기가스 또는 냉각수)가 흐르고, 작동유체가 가지는 열에너지로부터 전기에너지를 발생하는 발전용 열전변환기가 상기 외관과 내관 사이에 설치된 것을 구성의 요지로 한다.
Description
본 발명은 차량용 발전기 모듈에 관한 것으로, 상세하게는 배기가스나 냉각수에 포함된 폐열을 이용하여 전기를 발생시키는 차량용 발전기 모듈 및 이를 포함하는 차량용 배터리 보조 충전시스템에 관한 것이다.
엔진 전장품 중의 하나로서 차량에는 발전기가 채택된다. 차량용 발전기는 벨트 등으로 엔진의 동력을 전달받아 구동되는 회전자의 전기자(armature) 회전으로서 고정자에 기전력이 유도되는 원리를 이용한 것으로, 이를 통해 발생된 전기는 배터리를 충전하거나 다른 전장품의 작동에 필요한 에너지로 사용된다.
발전기의 발전량은 엔진 회전수에 따라 상이하게 다른 값으로 출력되며, 여자코일에 흐르는 전류에 따라 상이하게 된다. 이때 발전기의 발전량이 전기적 부하량 즉, 전기적 부하에서 사용되는 전기량보다 적으면, 배터리 방전이 초래되고 이 같은 상황이 계속되면 배터리 충전부족이 발생하여 전기적 부하에 안정되게 전원을 공급하지 못하게 된다.
한편, 엔진 구동 시 연소과정에서 발생하는 고온의 배기가스와 엔진 구동 중 발생한 열을 식히기 위해 기능하는 냉각수에는 고온의 활용 가능한 열에너지를 포함하고 있다. 그럼에도 열에너지가 그대로 대기로 방출되어 버려짐에 따라, 환경 측면에서 대기환경에 악영향이 미치며 에너지의 활용 측면에서 효율적이지 못하다는 문제가 지적되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전기적 부하 상황에서도 안정적인 전원 공급이 이루어질 수 있게 보조 전력 발생을 위해 기능하고, 폐열을 이용해 전기를 발생시킴으로써 재생 가능한 에너지의 효율적 활용을 도모하고자 하는 것이다.
과제 해결을 위한 수단으로서 본 발명의 일 측면에 따르면, 외관 안에 소구경의 내관이 삽입된 구성을 이루며, 내관에는 고온의 열에너지를 포함하는 작동유체(배기가스 또는 냉각수)가 흐르고, 작동유체가 가지는 열에너지로부터 전기에너지를 발생하는 발전용 열전변환기가 상기 외관과 내관 사이에 설치된 것을 특징으로 하는 폐열을 이용하는 차량용 발전기 모듈을 제공한다.
본 실시예에서 상기 열전변환기는 전기적으로 상호 연결을 이루는 P형 반도체 소자와 N형 반도체 소자가 외관 내주와 내관 외주 사이에 개입되는 지지부재를 매개로 관 길이방향으로 연속해서 번갈아 배치되는 구성의 열전 반도체일 수 있다.
이때 상기 P형 반도체 소자와 N형 반도체 소자의 상하 양단에 전극이 각각 형성되고, 전도체를 통해 이웃하는 소자 간 위아래 교대로 전극이 상호 연결됨으로써 P형 반도체 소자와 N형 반도체 소자는 전기적으로 직렬 연결을 이루도록 구성될 수 있다.
이와는 다르게, 상기 P형 반도체 소자와 N형 반도체 소자의 상하 양단에 전극이 각각 형성되고, 전도체를 통해 상부전극은 상부전극끼리 하부전극은 하부전극끼리 상호 연결됨으로써 P형 반도체 소자와 N형 반도체 소자는 전기적으로 병렬 연결을 이루도록 구성될 수 있다.
또한, 내관과 외관 사이의 온도차를 더 크게 하여 더 많은 전기에너지가 획득될 수 있도록, 상기 외관에는 방열핀, 방열용 팬(fan), 냉각수가 흐르는 냉각수 자켓 등과 같은 방열수단이 더 구비될 수 있다.
그리고, 상기 내관 안에는 작동유체(배기가스 또는 고온 냉각수)의 체류시간을 늘려 최대한 많은 열이 전기에너지로 변환될 수 있도록, 돌기 또는 핀부재가 위아래로 번갈아 배치되는 형태로 형성될 수 있다.
과제 해결을 위한 다른 실시예로서, 판상의 고온부 플레이트와, 고온부 플레이트에 대해 평행한 판상의 저온부 플레이트를 포함하며, 고온부 플레이트에서 저온부 플레이트 측으로 전달되는 열에너지로부터 전기에너지를 발생하는 발전용 열전변환기가 상기 고온부 플레이트와 저온부 플레이트 사이에 설치된 것을 특징으로 하는 폐열을 이용하는 차량용 발전기 모듈을 제공한다.
본 실시예에서 상기 열전변환기는 전기적으로 상호 연결을 이루는 P형 반도체 소자와 N형 반도체 소자가 고온부 플레이트와 저온부 플레이트 사이에 개입되는 지지부재를 매개로 관 길이방향으로 연속해서 번갈아 배치되는 구성의 열전 반도체일 수 있다.
이때 상기 P형 반도체 소자와 N형 반도체 소자의 상하 양단에 전극이 각각 형성되고, 전도체를 통해 이웃하는 소자 간 위아래 교대로 전극이 상호 연결됨으로써 P형 반도체 소자와 N형 반도체 소자는 전기적으로 직렬 연결을 이루도록 구성될 수 있다.
이와는 다르게, 상기 P형 반도체 소자와 N형 반도체 소자의 상하 양단에 전극이 각각 형성되고, 전도체를 통해 상부전극은 상부전극끼리 하부전극은 하부전극끼리 상호 연결됨으로써 P형 반도체 소자와 N형 반도체 소자는 전기적으로 병렬 연결을 이루도록 구성될 수 있다.
일 실시예와 마찬가지로, 고온부 플레이트와 저온부 플레이트의 온도차를 더 크게 하여 더 많은 전기에너지가 획득될 수 있도록, 저온부 플레이트에는 방열핀과 같은 방열수단을 구비할 수 있다.
과제 해결을 위한 다른 측면에 따르면, 배터리; 배터리에 충전될 전기를 발생시키며 저온부와 고온부 사이에 발전용 열전 변환기가 배치된 구성의 전술한 일 측면에 따른 발전기 모듈; 발전기 모듈이 장착되는 발열장치; 외기 및 상기 발열장치, 상기 발전기 모듈의 고온부와 저온부, 그리고 상기 배터리의 온도를 각각 측정하는 온도센서; 발전기 모듈이 출력하는 발전량을 조절하고 시스템 동작에 관여하는 마이콤; 발전기 모듈에 의한 발전 출력을 배터리에 맞는 전압(또는 전류)으로 변환하는 전력 변환부; 및 배터리에서 전력 변환부 측으로의 전기 역류를 방지하고 더 이상의 배터리 충전이 불필요한 때 상기 전력 변환부의 동작을 정지시키거나 최소 동작모드로 동작시키는 보호 회로부;를 포함하는 차량용 배터리 보조 충전시스템을 제공한다.
여기서 상기 발열장치는 고온의 냉각수가 흐르는 라디에이터 입구 부분 또는 엔진일 수 있으며, 상기 마이콤은 온도센서를 통해 제공되는 외기 및 발열장치의 온도, 발전기 모듈의 고온부와 저온부 온도차, 배터리 온도, 그리고 전압측정기로부터 제공되는 배터리 전압 정보에 기초해 상기 라디에이터와 출구와 상기 발전기 모듈의 저온부를 연결하는 냉각수 배관 상에 설치되는 밸브의 개도량을 조절해 냉각수의 유량을 제어함으로써 발전량이 조절되도록 할 수 있다.
다른 예로서, 상기 발열장치는 고온의 배기가스 배출을 위한 배기라인일 수 있으며, 이때 상기 마이콤은 상기 온도센서를 통해 제공되는 외기 및 발열장치 온도, 발전기 모듈의 고온부와 저온부 온도차, 배터리 온도, 그리고 전압측정기로부터 제공되는 배터리 전압 정보에 기초해 상기 발전기 모듈의 저온부에 장착되는 방열용 팬(fan)의 구동속도를 변화시킴으로써 발전기 모듈에 의한 발전량이 조절되도록 할 수 있다.
또한, 보호 회로부의 상기 배터리에서 전력 변환부 측으로의 전기 역류 방지를 위한 수단으로서 다이오드 정류기(diode rectifier) 또는 FET(Field effect transistor)이 적용될 수 있다.
한편, 상기 발전기 모듈의 이상 또는 각종 정보가 상기 마이콤으로 입력과정에서의 전달 오류를 포함하는 시스템의 이상상태를 표시하는 상태 표시부(status unit);를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 발전기 모듈에 따르면, 자동차 배기계통 또는 엔진이나 라디이에이터 고온부에 적용하여 차량의 보조 발전기로 사용할 수 있으며, 보조 발전기로 적용하면 전기적 과부하에서도 안정적인 전원 공급을 도모할 수 있는 발전 시스템의 구축이 가능하고, 배터리 방전 및 그에 따른 수명단축 등의 문제 또한 해소할 수 있다.
또한, 전력을 발생시킴에 있어 버려지는 폐열 즉, 고온의 배기가스 또는 냉각수에 포함된 열에너지를 이용함으로써, 재생 가능한 에너지의 효율적 활용을 도모할 수 있는 효과가 있으며, 폐열의 대기 중 방출온도를 낮출 수 있어 환경 측면에서 유리하고, 에너지 재사용으로 인한 에너지 효율 극대화를 통해 차량 연비 또한 대폭 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 폐열을 이용하는 차량용 발전기 모듈의 일 실시예를 나타낸 개략 단면도.
도 2는 도 1의 일 실시예에 따른 주요부 확대도.
도 3은 도 2에 따른 일 실시예의 변형예를 나타낸 도면.
도 4는 외관에 바깥쪽에 방열핀을 설치한 실시예를 나타낸 도면.
도 5는 내관에 돌기를 위아래 교대로 설치한 실시예를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 일 측면에 따른 폐열을 이용하는 차량용 발전기 모듈의 다른 실시예를 나타낸 개략 단면도.
도 7은 도 6의 다른 실시예에 따른 주요부 확대도.
도 8은 도 7에 따른 다른 실시예의 변형예를 나타낸 도면.
도 9는 본 발명의 다른 측면에 따른 차량용 배터리 보조 충전시스템의 전체 구성을 개략적으로 도시한 블록 구성도.
도 2는 도 1의 일 실시예에 따른 주요부 확대도.
도 3은 도 2에 따른 일 실시예의 변형예를 나타낸 도면.
도 4는 외관에 바깥쪽에 방열핀을 설치한 실시예를 나타낸 도면.
도 5는 내관에 돌기를 위아래 교대로 설치한 실시예를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 일 측면에 따른 폐열을 이용하는 차량용 발전기 모듈의 다른 실시예를 나타낸 개략 단면도.
도 7은 도 6의 다른 실시예에 따른 주요부 확대도.
도 8은 도 7에 따른 다른 실시예의 변형예를 나타낸 도면.
도 9는 본 발명의 다른 측면에 따른 차량용 배터리 보조 충전시스템의 전체 구성을 개략적으로 도시한 블록 구성도.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 도 1을 참조하여 일 측면에 따른 발전기 모듈의 바람직한 일 실시예부터 살펴보기로 한다.
도 1을 통해 나타낸 차량용 발전기 모듈(1)은 차량 배기라인에 적용 가능한 구조로서, 대구경의 외관(10), 외관(10) 안에 삽입되는 소구경의 내관(14), 그리고 외관(10)과 내관(14) 사이의 열전변환기(12)로 구성된다. 외관(10)은 외기에 노출되는 부분에 해당하고, 내관(14) 내부를 작동유체인 고온의 배기가스가 엔진 측에서 배기라인 말단의 배출구를 향해 지나게 된다.
외관(10)과 내관(14)은 열전도율이 높은 소재라면 그 소재에 특별한 제한 없이 적용 가능하며, 열전변환기(12)는 고온의 작동유체 이동으로 상기 내관(14)과 외관(10) 사이에 온도차가 발생한 때 당해 온도차를 이용해 전기를 발생시킨다. 즉, 열전변환기(12)는 내관(14)에서 그 바깥 쪽에 위치한 외관(10) 사이의 온도차에 해당하는 만큼의 에너지를 전기에너지로 변환시키도록 기능한다.
열전변환기(12)는 도 1을 통해 도시한 바와 같이, 전기적인 연결을 이루는 P형 반도체 소자(120)와 N형 반도체 소자(122)가 관 길이방향으로 연속해서 번갈아 배치되는 배열을 이루고, 각각의 반도체 소자 상하 단부와 외관(10) 내주와 내관(14) 외주와의 사이에 전기적 절연성을 갖는 지지부재(124)가 개입되어 각각의 반도체 소자를 지지하는 구성의 열전 반도체일 수 있다.
두 관 사이에서 반도체 소자를 지지하는 수단으로서 기능하는 상기 지지부재(124)로는 전기적 절연성이 우수한 세라믹(ceramic) 기판이 바람직하지만 이에 한정되는 것은 아니며, 이외에도 전기적 절연성(insulation)을 가지면서 두 관 사이에서 상기 반도체 소자에 대한 지지를 구현할 수 있는 소재라면 특별한 제한 없이 적용 가능하다.
열전변환기(12)는 원하는 출력전압 구현을 위해 도 2의 바람직한 실시예와 같이, P형 반도체 소자(120)와 N형 반도체 소자(122)의 상하 양단에 전극이 각각 형성되고, 전도체(126)를 통해 이웃하는 소자 간 위아래 교대로 전극이 상호 연결됨으로써 P형 반도체 소자(120)와 N형 반도체 소자(122)가 전기적으로 직렬 연결을 이루도록 된 구성일 수 있다.
전압의 출력 크기 확장이 요구되는 때에는 도 3의 변형예와 같이, P형 반도체 소자(120)와 N형 반도체 소자(122)의 상하 양단에 전극을 각각 형성하고, 전도체(126)를 통해 상부전극은 상부전극끼리 하부전극은 하부전극끼리 상호 연결되도록 함으로써 P형 반도체 소자(120)와 N형 반도체 소자(122)가 전기적으로 병렬 연결을 이루도록 구성할 수도 있다.
고온의 작동유체 즉, 배기가스가 내관(14)을 따라 흘러 나갈 때 내관(14)과 외관(10) 사이의 온도차가 클수록 보다 많은 전기에너지가 획득될 수 있다. 이는 외관(10) 바깥에 도 4와 같이 방열핀 또는 방열팬이 취부된 방열핀, 저온의 냉각수가 흐르는 냉각수 배관 등의 방열수단(15)을 설치함으로써 구현 가능하다.
즉, 두 관 사이의 온도차를 크게 해 보다 많은 전기에너지를 획득하는 방안으로서 저온부(외관)의 온도를 낮추는 방안이 모색될 수 있는데, 이는 외관(10)에 방열핀 또는 방열팬이 취부된 방열핀을 설치하거나 액상 냉각제(coolant)를 이용하는 방법 등으로 구현될 수 있으나 이들에 한정되는 것은 아니다.
액상 냉각제를 이용하는 경우에는 배관을 이용해 외관(10)과 차량의 메인 라디에이터를 직접 연결하는 구성 또는 별도로 서브 라디에이터를 마련하여 배관을 이용해 외관(10)과 연결시켜 최적의 발전이 행해지도록 저온부의 온도를 제어할 수도 있으며, 메인 라디에이터와 별도의 라디에이터가 병렬 내지 모두 사용되는 구성 또한 채택될 수 있다.
고온의 배기가스가 내관(14)에 체류하는 시간을 늘리는 것도 보다 많은 전기에너지 획득의 한 방법일 수 있다. 고온의 배기가스의 내관(14) 체류시간의 연장을 위한 바람직한 양태로서는 도 5의 예시와 같이, 내관(14) 내벽에 돌기(16) 또는 핀부재를 위아래로 번갈아 형성되도록 한 구성이 효과적일 수 있으나 이러한 구성으로 한정되는 것은 아니다.
도 6, 7은 본 발명의 일 측면에 따른 폐열을 이용하는 차량용 발전기 모듈의 다른 실시예를 나타낸 개략 단면도 및 요부 확대도로서, 냉각수가 흐르는 엔진 외벽에 설치하거나 라디에이터와 같은 발열장치의 벽체로 적용 가능한 판상 구조의 발전기 모듈(2)이며, 이는 고온의 엔진 열 또는 냉각수가 가지는 열에너지를 이용해 발전이 구현되도록 한 것이다.
도 6 내지 도 7을 참조하면, 다른 실시예에 따른 발전기 모듈(2)은, 판상의 고온부 플레이트(24), 고온부 플레이트(24)에 대해 평행한 판상의 저온부 플레이트(20)를 포함하고, 고온부 플레이트(24)에서 저온부 플레이트(20) 사이의 온도차를 이용해 발전을 구현하는 열전변환기(22)가 두 플레이트(24)(20) 사이에 배치된 구성을 이룬다.
열전변환기(22)는 상기한 실시예의 열전변환기(12)와 마찬가지로, 반도체 소자(P형 반도체 소자(220), N형 반도체 소자(222))로 구성되고 이웃한 소자 간 전극이 전도체(226)를 통해 위아래 교대로 전극이 상호 연결됨으로써 도 7과 같이 전기적으로 직렬을 이루도록 된 구성이나 도 8의 변형예와 같이 전기적 병렬을 이루도록 된 구성일 수 있다.
엔진 냉각수가 직간접적으로 접촉하는 고온부 플레이트(24)와 저온부 플레이트(20)의 온도차가 크면 보다 많은 전기에너지의 획득이 가능하므로, 일 실시예와 마찬가지로 상기 저온부 플레이트(20) 바깥쪽에는 방열 또는 방열핀에 방열용 팬이 취부된 구성, 액상의 냉각제(coolant)를 이용하는 방열수단(15)을 설치하여 고온부와의 온도차를 크게 하는 것이 좋다.
이상의 일 측면에 따른 발전기 모듈(1)(2)에서는 열전변환기(12)(22)로서 P형 반도체 소자(120)(229)와 N형 반도체 소자(122)(222)로 된 열전 반도체를 예를 들어 설명하였으나 이에 국한되는 것은 아니며, 열이 가해진 때 자유전자가 에너지를 얻고 이 에너지를 사용하여 기전력이 발생하는 제어백(seebeck) 효과를 일으킬 수 있는 금속소재라면 적용 가능하다.
다음은 일 측면에 따른 상기한 발전기 모듈을 포함하여 구성되는 본 발명의 다른 측면인 차량용 배터리 보조 충전시스템에 살펴보기로 한다.
도 9는 본 발명의 다른 측면에 따른 차량용 배터리 보조 충전시스템의 전체 구성을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 9를 통해 나타난 다른 측면에 따른 배터리(7) 보조 충전시스템은, 축전 배터리(7)를 구비하며, 배터리(7)에 충전될 전기를 발생시키는 발전기 모듈(1)(2)을 포함한다. 발전기 모듈(1)(2)은 저온부와 고온부 사이에 발전용 열전변환기가 배치된 구성의 전술한 발전기 모듈(1)(2)이고, 고온의 배기가스 배기라인 또는 엔진이나 고온 냉각수가 흐르는 라디에이터와 같은 발열장치(3)에 장착될 수 있다.
외기 및 발열장치(3), 발전기 모듈(1)(2)의 고온부와 저온부, 그리고 상기 배터리(7)에는 온도센서(4)가 설치되며, 온도센서(4)에 의한 각부 온도 데이터는 마이콤(8)으로 제공되어 발전기 모듈(1)(2)이 출력하는 발전량 조절을 위한 중요한 정보로 활용된다. 그리고 발전기 모듈(1)(2)이 출력한 전기는 전력 변환부(5)를 거치면서 배터리(7)에 맞는 전압(또는 전류)으로 변환된다.
발전기 모듈(1)(2)은 그 특성상 사용하는 재료에 따라 최대 출력 전력을 발생시키는 최적의 동작점이 존재하며, 때문에 특정 차량 운전 조건에서 발생시킬 수 있는 출력전력의 최적조건이 존재하게 된다. 즉 배터리 충전전압과 전류 또는 차량 운행 조건에 따라서 최대의 출력을 발생시키는 조건을 맞추어 주어야 한다.
바람직한 예로서, 특정 전류부하가 발생하는 경우 고온부의 온도와 저온부의 온도 및 발전기 출력전압 정보가 마이컴(8)으로 제공된 때, 해당 정보를 기반으로 마이컴(8)에 이미 기록되어 있는 최대전력 발생 조건표(또는 학습된 공식)와 비교하여 발전기 모듈(1)(2)의 저온부(10)(20) 온도를 제어함으로써 최적의 발전이 이루어지도록 하는 방법이 있다.
발전기 모듈(1)(2)의 저온부 온도 조절을 위해서는, 라디에이터와 저온부 사이를 냉각수 배관으로 연결하고, 온도센서(4)가 획득한 각부 온도 정보와 전압측정기로부터 제공되는 배터리(7) 전압 정보에 기초해 마이콤(8)이 상기 냉각수 배관에 설치되는 밸브의 개도를 조절하여 냉각수 유량을 제어함으로써 발전량을 조절할 수 있다.
에너지 효율의 최적화 및 연비향상을 도모하기 위하여, 차량 외기 온도가 낮은 경우 및 엔진 시동초기와 같은 경우에는 마이컴(8)이 발전기 모듈(1)(2)의 동작을 강제 정지시키며, 엔진이 정지된 경우에는 고온부 측에 남은열을 이용하여 발전기 모듈 출력이 가능한 조건까지 계속 발전을 하도록 마이컴(8)이 제어할 수도 있다.
저온부 냉각을 위해 라디에이터와 연결되는 냉각수 배관의 구성을 적용할 경우 상기 라디에이터는, 앞서도 언급했듯이 차량의 메인 라디에이터를 이용하거나 별도로 서브 라디에이터를 둘 수도 있으며, 별도의 서브 라디에이터를 둘 경우에는 외기가 잘 통하는 차량 전방 예를 들어, 메인 라디에이터 측방에 위치시키거나 그 후미 쪽에 위치하도록 설치될 수 있다.
라디에이터에 별도의 냉각팬을 설치함으로써 온도조절 성능을 보다 향상 시킬 수도 있다. 물론 라디에이터에 냉각팬을 부착한 경우 상기 냉각팬이나 라디에이터와 발전기모듈의 저온부를 연결하는 배관 상에 개도 조절을 위해 마련되는 상기 밸브는 연비향상이 필요한 경우 경우에 따라 그 기능이 정지되도록 제어할 수도 있다.
발전기 모듈(1)(2)의 저온부 온도 조절을 위한 다른 예로서, 저온부에 방열팬을 취부한 방열핀을 장착한 구성이 적용될 수 있다. 이 경우에는 온도센서(4)가 획득한 각부 온도 정보와 전압측정기로부터 제공되는 배터리(7) 전압 정보에 기초해 마이콤(8)이 상기 방열팬의 동작을 제어함으로써 저온부 온도 조절이 가능하며, 이를 통해 발전량 조절을 구현할 수 있다.
한편, 발전기 모듈(1)(2)의 고온부(14)(24)의 온도와 저온부(10)(20)의 온도 및 그 온도에서 발전기 모듈(1)(2)이 발생시키는 전압 관련 정보가 마이컴에 전달된 경우, 마이컴에 기록된 최대전력 발생 조건표(또는 학습된 공식)에 근거하여 상기 전력 변환부를 조절해 부하전류를 가변시킴으로써 최적의 발전이 구현되도록 할 수도 있다.
전력 변환부(5)는 상기 발전기 모듈(1)(2)의 발전출력을 바탕으로 배터리(7) 상태에 맞는 최적 상태의 전압/전류로 변환하여 보호 회로부(6)에 공급한다. 이는 배터리(7) 정격 충전 전압에 맞게 전력을 변환하는 DC/DC 컨버터로 구성되고, 벅(Buck) 또는 부스트(Boost) 단독, 벅-부스트(Buck-Boost) 등 다양한 토폴로지(Topology)를 사용하여 구현 가능하다.
보호 회로부(6)는 배터리(7) 이상이나 역류 전기로부터 전력 변환부(5)를 보호하거나 완충상태에서 더 이상의 충전이 불필요한 때 상기 전력 변환부(5)의 동작을 정지시키거나 최소동작 모드로 동작시킬 수 있는 회로를 포함한다. 이는 간단하게 다이오드 정류기(diode rectifier)로 구현되거나 FET(Field effect transistor) 등 on/off 스위칭 소자로 구현될 수 있다.
마이콤(8)은 배터리 전압과 충전전류를 모니터링하고, 충전이 필요한 경우 발전기 모듈(1)(2)을 최대출력조건으로 동작시키고 이에 전력 변환부(5)가 호응하여 배터리(7)를 충전하도록 하며, 배터리 충전에 따라 배터리 전압이 일정 전압에 도달하고 충전전류가 감소하는 상황에서는 발전기 모듈(1)(2) 출력을 배터리(7) 조건에 알맞은 값으로 줄어들도록 한다.
배터리(7)가 완충된 경우에는, 전술한 바와 같은 방법으로 발전기 모듈(1)(2)의 저온부 온도를 조절함으로써 발전 출력을 최소화하고, 이에 따라 전력 변환부(5)의 출력도 최소의 상태가 되도록 변환한다. 이때 이상 과전압 발생이 경우에는 발전기 모듈을 부하로 바꾸어 전압을 낮추는 기능을 구현할 수도 있다.
도면부호 9는 시스템의 이상상태를 표시하는 상태 표시부(status unit)로서, 발전기 모듈(1)(2) 이상이나 배터리(7)로 입력되는 정격 전압 이상, 그리고 상기 온도센서(4)이 검출한 온도나 전압 측정기에 의한 측정 전압 등의 각종 정보가 마이콤(8)에 입력되는 과정에서의 전달 오류를 포함하여 시스템 이상을 표시하는 기능을 포함한다.
이상에서 살펴본 본 발명의 실시예에 따르면, 자동차 배기계통 또는 엔진이나 라디이에이터 고온부에 적용하여 차량의 보조 발전기로 사용할 수 있으며, 보조 발전기로 적용하면 전기적 과부하에서도 안정적인 전원 공급을 도모할 수 있는 발전 시스템의 구축이 가능하고, 배터리 방전 및 그에 따른 수명단축 등의 문제 또한 해소할 수 있다.
또한, 전력을 발생시킴에 있어 버려지는 폐열 즉, 고온의 배기가스 또는 냉각수에 포함된 열에너지를 이용함으로써, 재생 가능한 에너지의 효율적 활용을 도모할 수 있는 효과가 있으며, 폐열의 대기 중 방출온도를 낮출 수 있어 환경 측면에서 유리하고, 에너지 재사용으로 인한 에너지 효율 극대화를 통해 차량 연비 또한 대폭 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
이상의 본 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
1, 2 : 발전기 모듈 10 : 외관
12, 22 : 열전변환기 14 : 내관
15 : 방열수단 16 : 돌기
20 : 저온부 플레이트 24 : 고온부 플레이트
120, 220 : P형 반도체 소자
122, 222 : N 형 반도체 소자
124, 224 : 지지부재
126, 226 : 전도체
3 : 발열장치 4 : 온도센서
5 : 전력 변환부 6 : 보호 회로부
7 : 배터리 8 : 마이콤
9 : 상태 표시부
12, 22 : 열전변환기 14 : 내관
15 : 방열수단 16 : 돌기
20 : 저온부 플레이트 24 : 고온부 플레이트
120, 220 : P형 반도체 소자
122, 222 : N 형 반도체 소자
124, 224 : 지지부재
126, 226 : 전도체
3 : 발열장치 4 : 온도센서
5 : 전력 변환부 6 : 보호 회로부
7 : 배터리 8 : 마이콤
9 : 상태 표시부
Claims (16)
- 외관 안에 소구경의 내관이 삽입된 구성을 이루며, 내관에는 고온의 열에너지를 포함하는 작동유체가 흐르고, 작동유체가 가지는 열에너지로부터 전기에너지를 발생하는 발전용 열전변환기가 상기 외관과 내관 사이에 설치된 것을 특징으로 하는 폐열을 이용하는 차량용 발전기 모듈.
- 제 1 항에 있어서,
상기 열전변환기는 전기적으로 상호 연결을 이루는 P형 반도체 소자와 N형 반도체 소자가 외관 내주와 내관 외주 사이에 개입되는 지지부재를 매개로 관 길이방향으로 연속해서 번갈아 배치되는 구성의 열전 반도체인 것을 특징으로 하는 폐열을 이용하는 차량용 발전기 모듈.
- 제 2 항에 있어서,
상기 P형 반도체 소자와 N형 반도체 소자의 상하 양단에 전극이 각각 형성되고, 전도체를 통해 이웃하는 소자 간 위아래 교대로 전극이 상호 연결됨으로써 P형 반도체 소자와 N형 반도체 소자는 전기적으로 직렬 연결을 이루는 것을 특징으로 하는 폐열을 이용하는 차량용 발전기 모듈.
- 제 2 항에 있어서
상기 P형 반도체 소자와 N형 반도체 소자의 상하 양단에 전극이 각각 형성되고, 전도체를 통해 상부전극은 상부전극끼리 하부전극은 하부전극끼리 상호 연결됨으로써 P형 반도체 소자와 N형 반도체 소자는 전기적으로 병렬 연결을 이루는 것을 특징으로 하는 폐열을 이용하는 차량용 발전기 모듈.
- 제 1 항에 있어서
상기 외관은 방열수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 폐열을 이용하는 차량용 발전기 모듈.
- 제 1 항에 있어서
상기 내관 안에는 위아래로 번갈아 형성되는 돌기 또는 핀부재를 구비하는 것을 특징하는 하는 폐열을 이용하는 차량용 발전기 모듈.
- 판상의 고온부 플레이트와, 고온부 플레이트에 대해 평행한 판상의 저온부 플레이트를 포함하며, 고온부 플레이트에서 저온부 플레이트 측으로 전달되는 열에너지로부터 전기에너지를 발생하는 발전용 열전변환기가 상기 고온부 플레이트와 저온부 플레이트 사이에 설치된 것을 특징으로 하는 폐열을 이용하는 차량용 발전기 모듈.
- 제 7 항에 있어서,
상기 열전변환기는 전기적으로 상호 연결을 이루는 P형 반도체 소자와 N형 반도체 소자가 고온부 플레이트와 저온부 플레이트 사이에 개입되는 지지부재를 매개로 관 길이방향으로 연속해서 번갈아 배치되는 구성의 열전 반도체인 것을 특징으로 하는 폐열을 이용하는 차량용 발전기 모듈.
- 제 8 항에 있어서,
상기 P형 반도체 소자와 N형 반도체 소자의 상하 양단에 전극이 각각 형성되고, 전도체를 통해 이웃하는 소자 간 위아래 교대로 전극이 상호 연결됨으로써 P형 반도체 소자와 N형 반도체 소자는 전기적으로 직렬 연결을 이루는 것을 특징으로 하는 폐열을 이용하는 차량용 발전기 모듈.
- 제 8 항에 있어서
상기 P형 반도체 소자와 N형 반도체 소자의 상하 양단에 전극이 각각 형성되고, 전도체를 통해 상부전극은 상부전극끼리 하부전극은 하부전극끼리 상호 연결됨으로써 P형 반도체 소자와 N형 반도체 소자는 전기적으로 병렬 연결을 이루는 것을 특징으로 하는 폐열을 이용하는 차량용 발전기 모듈.
- 제 7 항에 있어서
상기 저온부 플레이트는 방열수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 폐열을 이용하는 차량용 발전기 모듈.
- 배터리;
배터리에 충전될 전기를 발생시키며 저온부와 고온부 사이에 발전용 열전변환기가 장치된 구성의 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 하나의 항에 기재된 발전기 모듈;
발전기 모듈이 장착되는 발열장치;
외기 및 상기 발열장치, 상기 발전기 모듈의 고온부와 저온부, 그리고 상기 배터리의 온도를 각각 측정하는 온도센서;
발전기 모듈이 출력하는 발전량을 조절하고 시스템 동작에 관여하는 마이콤;
발전기 모듈에 의한 발전 출력을 배터리에 맞는 전압(또는 전류)으로 변환하는 전력 변환부; 및
배터리에서 전력 변환부 측으로의 전기 역류를 방지하고 더 이상의 배터리 충전이 불필요한 때 상기 전력 변환부의 동작을 정지시키거나 최소 동작모드로 동작시키는 보호 회로부;를 포함하는 차량용 배터리 보조 충전시스템.
- 제 12 항에 있어서,
상기 발열장치는 고온의 냉각수가 흐르는 라디에이터 입구 측 또는 엔진이며,
상기 마이콤은 온도센서를 통해 제공되는 외기 및 발열장치의 온도, 발전기 모듈의 고온부와 저온부 온도차, 배터리 온도, 그리고 전압측정기로부터 제공되는 배터리 전압 정보에 기초해 상기 라디에이터와 출구와 상기 발전기 모듈의 저온부를 연결하는 냉각수 배관 상에 설치되는 밸브의 개도량을 조절해 냉각수의 유량을 제어함으로써 발전량이 조절되도록 하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 보조 충전시스템.
- 제 12 항에 있어서,
상기 발열장치는 고온의 배기가스 배출을 위한 배기라인이며,
상기 마이콤은 상기 온도센서를 통해 제공되는 외기 및 발열장치 온도, 발전기 모듈의 고온부와 저온부 온도차, 배터리 온도, 그리고 전압측정기로부터 제공되는 배터리 전압 정보에 기초해 상기 라디에이터 출구와 상기 발전기 모듈의 저온부를 연결하는 냉각수 배관 상에 설치되는 밸브의 개도량을 조절해 냉각수의 유량을 제어함으로써 발전량이 조절되도록 하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 보조 충전시스템.
- 제 12 항에 있어서,
보호 회로부의 상기 배터리에서 전력 변환부 측으로의 전기 역류 방지를 위한 수단으로서 다이오드 정류기(diode rectifier) 또는 FET(Field effect transistor)이 적용되는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 보조 충전시스템.
- 제 12 항에 있어서,
상기 발전기 모듈의 이상 또는 각종 정보가 상기 마이콤으로 입력과정에서의 전달 오류를 포함하는 시스템의 이상상태를 표시하는 상태 표시부(status unit);를 더 포함하는 차량용 배터리 보조 충전시스템.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020130043677A KR20140125628A (ko) | 2013-04-19 | 2013-04-19 | 폐열을 이용하는 차량용 발전기 모듈 및 이를 포함하는 차량용 배터리 보조 충전시스템 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020130043677A KR20140125628A (ko) | 2013-04-19 | 2013-04-19 | 폐열을 이용하는 차량용 발전기 모듈 및 이를 포함하는 차량용 배터리 보조 충전시스템 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20140125628A true KR20140125628A (ko) | 2014-10-29 |
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ID=51995341
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020130043677A KR20140125628A (ko) | 2013-04-19 | 2013-04-19 | 폐열을 이용하는 차량용 발전기 모듈 및 이를 포함하는 차량용 배터리 보조 충전시스템 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20140125628A (ko) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2016182119A1 (ko) * | 2015-05-12 | 2016-11-17 | 김용태 | 연료가스를 흡열매체로 활용한 열전모듈 및 이 열전모듈을 이용하여 가스연소열의 일부를 led램프 구동전원으로 전환한 가스난방장치 |
| WO2018158625A1 (en) * | 2017-03-02 | 2018-09-07 | Zarifi Soudmand | Thermoelectric battery charger with independent economizer |
| KR20200093959A (ko) * | 2019-01-29 | 2020-08-06 | 주식회사 경원이앤씨 | 열전 발전 장치 및 그 제어방법 |
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| CN115765523A (zh) * | 2022-11-04 | 2023-03-07 | 南方电网数字电网研究院有限公司 | 微型温差发电模组和供电装置 |
-
2013
- 2013-04-19 KR KR1020130043677A patent/KR20140125628A/ko not_active Application Discontinuation
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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