KR20150051149A - 전기 자동차 전원장치 및 그 제어방법 - Google Patents

전기 자동차 전원장치 및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 슈퍼 커패시터, 양방향 DC/DC 컨버터, 배터리, 모터 및 제어부를 구비한 전기 자동차 전원장치 및 그 제어방법에 있어서, 상기 전기 자동차 구동시 발생되는 상기 모터의 부하 전류값, 상기 배터리의 전압값, 상기 슈퍼 커패시터의 전압값, 상기 슈퍼 커패시터의 대응 전류값을 읽고, 상기 값들을 상기 제어부에 저장하는 단계; 상기 제어부에서, 상기 배터리의 전압값과 상기 배터리의 과전압을 방지하기 위해 설정된 전압값을 비교하는 단계; 상기 제어부에서, 상기 배터리의 전압값과 상기 배터리의 과전압을 방지하기 위해 설정된 전압값을 비교하는 단계이후, 상기 슈퍼 커패시터의 전압값과 상기 슈퍼 커패시터의 SOC(State Of Charge) 전압값을 비교하여 상기 슈퍼 커패시터의 대응 전류값을 도출하는 단계; 와 상기 모터의 부하 전류값을 상기 배터리의 평균 부하 전류값과 비교하여 상기 슈퍼 커패시터의 대응 전류값을 도출하는 단계; 를 구비하여 상기 모터의 부하 전류 변화에 대한 대응과 상기 배터리를 보호 해주는 것을 특징으로 한다.

Description

전기 자동차 전원장치 및 그 제어방법 {Electric vehicle power supply device and a control method}
본 발명은 전기 자동차 전원장치 및 그 제어방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 배터리와 슈퍼 커패시터를 병렬로 결합하는 방식에서, 상기 슈퍼 커패시터와 배터리 사이에 양방향 DC/DC 컨버터를 추가하여, 슈퍼 커패시터의 전류를 능동적으로 제어하는 장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
전기 자동차의 구동장치는, 도 1의 모터(104)가 되며 상기 모터에 전기를 공급하는 에너지 저장장치는 배터리(102) 단독으로 구비된다. 상기 구비의 문제점은 배터리(102) 내구 수명으로, 전기 자동차는 급가속 및 급감속을 반복함에 따라 급격한 전기 부하, 즉 출력(Power)이 필요한데, 배터리(102)는 출력(Power)대응이 취약하므로 내구 수명이 현저히 낮아진다. 이러한 상기 출력(Power)대응을 높이고자 도 2처럼 출력(Power)밀도가 높고, 급속 충방전이 가능한, 슈퍼 커패시터(105)를 병렬 접속하여 구비한다. 그러나 상기 병렬로 구비시, 슈퍼 커패시터(105)와 배터리(102)의 전압이 같아야 하는 전제로 인해, 슈퍼 커패시터(105)는 모터(104)의 급격한 부하 전류 변화에 대응하는 효과가 제한된다.
이를 시뮬레이션 한 결과는 도 3과 같다. 도 3의 시뮬레이션은 근거리용 저속 전기 자동차를 산정하여 일반적인 주행 사이클인, 뉴욕사이클(NYCC)을 적용 하였을 때의 모터의 부하 전류(i_motor)에 대하여 배터리(102) 및 슈퍼 커패시터(105)의 전류 대응의 크기를 구한 것이다.
도 3을 보면 모터(104)의 급격한 부하 전류 변화에 대해 슈퍼 커패시터(105)의 전류 대응은 크지 않음을 알 수 있다. 이러한 원인은 슈퍼 커패시터(105)와 배터리(102)가 전압이 같아야 한다는 제약에 의한 결과이다.
그리고 종래에는 상기 문제점을 해결하기 위해, 슈퍼 커패시터(105)와 배터리(102) 사이에, 전기 자동차 속도에 반비례하여 전압을 제어하는 DC/DC 컨버터를 추가하였다. 그러나 종래 기술의 문제점은, 전기 자동차 속도가 크다고 해서 반드시 모터의 부하 전류(i_motor)가 크지 않다는 점, 즉 모터의 부하 전류(i_motor)는 상기 자동차 속도가 낮더라도, 가속과 감속을 하는 경우에 모터의 부하 전류(i_motor)가 크게 된다는 점에 위배되며, 슈퍼 커패시터(105)는 출력(Power)용량은 크지만 에너지 저장 용량이 매우 작기 때문에 계속적으로 모터의 부하 전류(i_motor)에 대응 할 수 없다는 점이다.
본 발명과 관련된 선행문헌으로는 대한민국 공개특허 제2003-0006269호(공개일: 2003년 01월 23일)가 있다.
따라서 본 발명에서는, 전기 자동차가 어떠한 주행을 하더라도, 슈퍼 커패시터의 전류를 능동적으로 제어하여, 지속적인 모터의 부하 전류에 대한 대응과 상기 배터리에 과도한 모터의 부하 전류가 걸리지 않도록 가장 효과적인 슈퍼 커패시터의 활용에 대한 장치와 제어방법을 제시 하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차 전원 장치의 제어방법은, 전기 자동차 구동시 발생되는 상기 모터의 부하 전류값, 상기 배터리의 전압값, 상기 슈퍼 커패시터의 전압값, 상기 슈퍼 커패시터의 대응 전류값을 읽고, 상기 값들을 상기 제어부에 저장하는 단계; 상기 제어부에서, 상기 배터리의 전압값과 상기 배터리의 과전압을 방지하기 위해 설정된 전압값을 비교하는 단계; 상기 제어부에서, 상기 배터리의 전압값과 상기 배터리의 과전압을 방지하기 위해 설정된 전압값을 비교하는 단계이후, 상기 슈퍼 커패시터의 전압값과 상기 슈퍼 커패시터의 SOC(State Of Charge) 전압값을 비교하여 상기 슈퍼 커패시터의 대응 전류값을 도출하는 단계; 와 상기 모터의 부하 전류값을 상기 배터리의 평균 부하 전류값과 비교하여 상기 슈퍼 커패시터의 대응 전류값을 도출하는 단계; 를 구비하여 상기 모터의 부하 전류 변화에 대한 대응과 상기 배터리를 보호 해주는 단계를 구비한다.
또한, 상기 배터리의 전압값과 상기 배터리의 과전압을 방지하기 위해 설정된 전압값을 비교하는 단계와, 상기 슈퍼 커패시터의 전압값과 상기 슈퍼 커패시터의 SOC(State Of Charge) 전압값을 비교하는 단계에서, 상기 배터리의 전압값이 상기 배터리의 과전압을 방지하기 위해 설정된 전압값보다 크고, 상기 슈퍼 커패시터의 전압값이 상기 슈퍼 커패시터의 SOC(State Of Charge) 전압값보다 크면, 상기 제어부에서, 상기 슈퍼 커패시터의 대응 전류값을(i_dcdc=0)으로 도출하는 단계를 구비한다.
또한, 상기 배터리의 전압값과 상기 배터리의 과전압을 방지하기 위해 설정된 전압값을 비교하는 단계와, 상기 슈퍼 커패시터의 전압값과 상기 슈퍼 커패시터의 SOC(State Of Charge) 전압값을 비교하는 단계에서, 상기 배터리의 전압값이 상기 배터리의 과전압을 방지하기 위해 설정된 전압값보다 크고, 상기 슈퍼 커패시터의 SOC(State Of Charge) 전압값이 상기 슈퍼 커패시터 전압보다 크면, 상기 제어부에서, 상기 슈퍼 커패시터의 대응 전류값을[i_dcdc=(i_cap_min*v_cap)/(v_bat*η)] 으로 도출하여 상기 슈퍼 커패시터의 충전 상태를 60%로 제어하는 단계를 구비한다.
또한, 상기 배터리의 전압값과 상기 배터리의 과전압을 방지하기 위해 설정된 전압값을 비교하는 단계와, 상기 모터의 부하 전류값을 상기 배터리의 평균 부하 전류값과 비교하는 단계에서, 상기 배터리의 과전압을 방지하기 위해 설정된 전압값이 상기 배터리의 전압값보다 크고, 상기 배터리의 평균 부하 전류값이 상기 모터의 부하 전류값보다 크고, 상기 모터의 부하 전류값이 0 보다 크면, 상기 제어부에서, 상기 슈퍼 커패시터의 대응 전류값은[i_dcdc=(i_cap_min*v_cap)/(v_bat*η)] 으로 도출하여 상기 슈퍼 커패시터의 충전 상태를 60%로 제어하는 단계를 구비한다.
또한, 상기 배터리의 전압값과 상기 배터리의 과전압을 방지하기 위해 설정된 전압값을 비교하는 단계와, 상기 모터의 부하 전류값을 상기 배터리의 평균 부하 전류값과 비교하는 단계에서, 상기 배터리의 과전압을 방지하기 위해 설정된 전압값이 상기 배터리의 전압값보다 크고, 상기 모터의 부하 전류값이 상기 배터리의 평균 부하 전류값보다 크고, 상기 모터의 부하 전류값이 0 보다 작으면, 상기 제어부에서, 상기 슈퍼 커패시터 전압값과 상기 슈퍼 커패시터 최대전압값, 상기 슈퍼 커패시터 전압값과 상기 슈퍼 커패시터 최소전압값을 비교하는 단계를 구비한다.
또한, 상기 슈퍼 커패시터 전압값과 상기 슈퍼 커패시터 최대전압값, 상기 슈퍼 커패시터 전압값과 상기 슈퍼 커패시터 최소전압값을 비교하는 단계에서, 상기 슈퍼 커패시터의 전압값이 상기 최대 전압값을 넘거나,상기 최소 전압값 보다 낮은 값을 가지면, 상기 제어부에서, 상기 슈퍼 커패시터의 대응 전류값을 (i_dcdc=0)으로 도출하는 단계를 구비한다.
또한, 상기 슈퍼 커패시터 전압값과 상기 슈퍼 커패시터 최대전압값, 상기 슈퍼 커패시터 전압값과 상기 슈퍼 커패시터 최소전압값을 비교하는 단계에서,
상기 슈퍼 커패시터의 전압값이 상기 최대 전압값을 넘지않고, 상기 최소 전압값 보다 높은 값을 가지고, 상기 모터의 부하 전류값이 0 보다 크면, 상기 제어부에서, 상기 슈퍼 커패시터의 대응 전류값을(i_dcdc=i_motor-i_mean)으로 도출하고, 상기 모터의 부하 전류값이 0 보다 작으면, 상기 슈퍼 커패시터의 대응 전류값을 (i_dcdc=i_motor)로 도출하는 단계를 구비한다.
또한, 상기 슈퍼 커패시터 대응 전류값 i_dcdc는, 상기 슈퍼 커패시터가 허용하는 최대전류값 [i_cap_max=(0.12*v_cap)/(4*RESR)] 을 넘지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차 전원 장치는, 전기 자동차 구동시 필요한 전기 에너지를 공급하는 배터리; 상기 전기 에너지를 받아 상기 자동차를 구동시키며, 상기 자동차가 제동시 발전기로 동작하는 모터; 상기 배터리에 병렬로 연결되고 상기 자동차가 가속시 필요한 전기 에너지를 공급하거나 상기 자동차가 제동시 상기 모터로부터 회생 전기 에너지를 공급 받아 충전하는 슈퍼 커패시터; 및 상기 배터리와 상기 슈퍼 커패시터 사이에 병렬 연결되어 상기 모터의 부하전류값에 따른 상기 슈퍼 커패시터의 대응 전류값을 도출하게 해주는 양방향 DC/DC 컨버터를 구비한다.
또한, 상기 슈퍼 커패시터, 양방향 DC/DC 컨버터, 배터리 및 모터와 연결되어 이들을 제어하는 제어부를 구비한다.
상기 슈퍼 커패시터와 배터리 사이에 양방향 DC/DC 컨버터를 추가하고, 모터의 부하 전류에 대응하는 슈퍼 커패시터의 전류를 능동적으로 제어함으로써, 상기 슈퍼 커패시터의 활용도를 효과적으로 높일 수 있으며, 이를 통하여 상기 배터리로의 급격한 모터의 부하 전류 변화를 줄일 수 있어, 상기 배터리의 수명 증대를 기할 수 있다. 또한 상기 모터의 회생 에너지를 효과적으로 이용할 수 있어 에너지 효율을 증대할 수 있다.
도 1은 일반적인 전기 자동차의 구동 시스템 구성도이다.
도 2는 슈퍼 커패시터를 병용한 전기 자동차의 구동 시스템의 구성도이다.
도 3은 슈퍼 커패시터를 배터리와 단순 병렬 연결시의 전기 부하 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명인 슈퍼 커패시터와 배터리 사이에 양방향 DC/DC 컨버터를 추가한 전기 자동차의 전원장치 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제어 방법 블록도이다.
도 6은 본 발명인 전기 부하 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.　 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 아래의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시예들로 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하며 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.　
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는"포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.　
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 영역 및/또는 부위들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부위들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다. 이들 용어는 특정 순서나 상하, 또는 우열을 의미하지 않으며, 하나의 부재, 영역 또는 부위를 다른 부재, 영역 또는 부위와 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1 부재, 영역 또는 부위는 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2 부재, 영역 또는 부위를 지칭할 수 있다. 이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
도 4는 본 발명인 전기 자동차 전원장치의 구성도이다. 본 발명의 회로는 슈퍼 커패시터(105), 양방향 DC/DC 컨버터(106), 배터리(102), 모터(104), 제어부(107)로 구비된다. 슈퍼 커패시터(105)는 전극과 전해질 계면으로 단순한 이온의 이동이나 표면화학 반응에 의한 충방전 현상을 이용하여 고에너지 밀도와 급속 충방전이 가능하여, 높은 충방전 효율과 반영구적인 충방전 사이클 수명 특성을 가지고 있어 보조 배터리 수단으로 많이 사용되고 있다. 슈퍼 커패시터(105)는 전기 자동차 산업분야에서 배터리(102)와 상호 보완 사용시 장점이 많아 배터리(102)와 동시에 구비하여 사용한다.
그리고 슈퍼 커패시터(105)와 배터리(102)는 병렬 연결된다. 슈퍼 커패시터(105)에는 등가 직렬 저항이라 불리는 RESR (RESR: Resistance Equivalent Series Resistance) 이 있다. 상기 RESR은 슈퍼 커패시터(105)의 내부 기생 저항이다. v_cap은 슈퍼 커패시터(105)에 걸리는 전압이고, i_cap은 슈퍼 커패시터(105)에 흐르는 전류이다.
양방향 DC/DC 컨버터(106)는 배터리(102)와 슈퍼 커패시터(105)에 병렬 연결된다. 양방향 DC/DC 컨버터(106)의 동작은 후술하여 상세히 설명 하기로 한다. 전기 자동차는 회생제동(모터를 발전기로 동작시켜 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하여 제동력을 발휘하는 전기 제동 방법)시에 발생된 회생 전기 에너지를 슈퍼 커패시터(105)에 저장 즉, 충전시킨다. 상기 충전 과정을 도 4의 회로를 참조하여 더욱 상세히 설명하면, 회생제동시 발생된 역전류 즉, 충전전류 발생시, 제어부가 양방향 DC/DC 컨버터(106)의 트랜지스터를 turn on 시키고, 상기 역전류가 상기 트랜지스터 S2,D1을 통하여 슈퍼 커패시터(105) 쪽으로 흐른다. 그리고 양방향 DC/DC 컨버터(106)의 인덕터에 상기 역전류가 저장되고, 상기 인덕터에 저장된 역전류는 전압으로 변경되어, 슈퍼 커패시터(105)가 수용할 수 있는 최대 전압값(v_cap_max)까지 저장 즉, 전기 에너지로서 충전된다.
전기 자동차의 가속시에는 슈퍼 커패시터(105)에 저장된 전압이 방전되어 즉, 전기 에너지를 모터(104)에 보내어 구동도 시키며, 배터리(102)에 충전도 시킨다. 상기 방전과정을 더욱 상세히 설명하면, 슈퍼 커패시터(105)에서 모터(104)쪽으로 정전류 즉, 방전전류를 흘러 보내고, 상기 방전전류는 인덕터에 저장된다. 상기 방전전류는 제어부(107)가 양방향 DC/DC 컨버터(106)의 트랜지스터를 turn on 시켜서 상기 트랜지스터의 S1,D2를 통하여 모터측의 인덕터(미도시)에 저장되어 전압으로 변경된다. 상기 전압을 모터(104)에 공급하여 모터(104)를 구동한다. 배터리(102)는 상기 전압을 받아서 충전하고, 또한 상기 전압을 모터(104)에 공급하여 즉, 전기 에너지를 방전하여 전기 자동차를 구동한다.
양방향 DC/DC 컨버터(106)와 배터리(102) 사이에는 슈퍼 커패시터(105)의 대응 전류값(i_dcdc)를 읽을수 있는 절점이 있다. 본 발명은 제어부(107)에서 상기 절점의 전류값을 능동적으로 제어하여 슈퍼 커패시터(105)의 활용도를 효과적으로 높일 수 있으며, 이를 통하여 배터리(102)로의 급격한 모터의 부하 전류 변화(i_motor)를 줄일 수 있어, 배터리의 수명 증대(102)를 기할 수 있다.
상기 제어방법에 대해서는 상세하게 후술하기로 한다. 모터(104)는 전기 자동차가 제동시 발전기로 동작하여 상기 회생전류가 발생된다. 즉, 역전류를 슈퍼 커패시터(105)측에 보내어 상술한 슈퍼 커패시터(105)의 충전과정을 통해 전압이 슈퍼 커패시터(105)에 충전된다. 또한 모터(104)는 상술한 슈퍼 커패시터(105) 방전 과정과 배터리(102)에 의해서 상기 전압 즉, 전기에너지를 받아 전기 자동차를 구동한다. 제어부(107)는 슈퍼 커패시터(105), 양방향 DC/DC 컨버터(106), 배터리(102), 모터(104)와 연결되어 슈퍼 커패시터(105), 양방향 DC/DC 컨버터(106), 배터리(102), 모터(104)를 제어한다. 상기 제어방법은 도 5에서 상세히 후술하기로 한다.
도 5는 본 발명의 제어 방법 블록도이다.이하 상기 제어방법을 상세히 설명하면, S10 단계에서는, 상기 제어부에서, 모터의 부하 전류값(i_motor), 배터리의 전압값(v_bat), 슈퍼 커패시터의 전압값(v_cap), 상기 모터의 부하 전류값에 대응한 슈퍼 커패시터(105)의 대응 전류값(i_dcdc)들을 읽고, 상기 값들을 상기 자동차 제어부(107)에 저장한다.
S11 단계에서는, 상기 제어부에서, 상기 배터리의 전압값(v_bat),배터리의 과전압을 방지하기 위해 설정된 전압값(v_bat_limit)를 비교한다. 상기 비교후 상기 배터리의 전압값(v_bat)이 더 크면,
S12 단계로 가고, 제어부(107)에서 슈퍼 커패시터의 전압값(v_cap), 슈퍼 커패시터의 충전 상태를 60%로 유지시키는 전압값(v_cap_soc)과 비교한다. 상기 비교후 슈퍼 커패시터의 전압값(v_cap)이 더 크면,
S13 단계로 가서, 상기 제어부에서 상기 트랜지스터를 turn off하고, 슈퍼 커패시터의 대응 전류값(i_dcdc)를 0 으로 설정하고 저장한다. 상기 저장후, 상기 슈퍼 커패시터의 대응 전류값(i_dcdc) 신호를 도 4의 i_dcdc 절점에 보낸다. 즉 S11~S13 단계는 슈퍼 커패시터의 대응 전류값(i_dcdc) 제어로 인하여 상기 슈퍼 커패시터와 상기 배터리가 과충전이 되는 것을 막아주는 제어단계이다.
S14 단계에서는, 상기 슈퍼 커패시터의 충전 상태를 60%로 유지시키는 전압값(v_cap_soc)이 슈퍼 커패시터 전압값 보다 크면, 슈퍼 커패시터의 대응 전류값(i_dcdc)은 상기 슈퍼 커패시터의 충전 상태를 60%로 제어하는 값이다.
상기 슈퍼 커패시터의 충전 상태를 60%로 제어하는 단계는 S14~S16단계이다. 상기 과정을 더욱 상세히 설명하면, [슈퍼 커패시터의 전류(i_cap) = - 슈퍼 커패시터의 충전 상태를 60%로 유지시키는 전압(v_cap_soc) - 슈퍼 커패시터의 전압(v_cap)*비례적분 제어기의 이득] 의 수식으로, 슈퍼 커패시터의 전류(i_cap)를 설정한다. 상기 비례적분 제어기의 이득 과정은 본 발명이 속하는 당업자라면 상세히 알수 있으므로 자세한 설명은 생략한다.
이후 S15 단계에서는, 상기 제어부에서 상기 단계에서 구한 상기 슈퍼 커패시터의 전류(i_cap)값과 상기 슈퍼 커패시터가 허용하는 최대전류(i_cap_max)값와 비교하여 작은 전류값(i_cap_min)을 선택하는 단계이다. 상기 값이 + 이면 슈퍼 커패시터의 방전을 의미하고, - 이면 슈퍼 커패시터의 충전을 의미한다.
이후 S16 단계에서는, 상기 제어부에서 [슈퍼 커패시터의 대응 전류값(i_dcdc) = 상기의 선택된 작은 전류값(i_cap_min)*슈퍼 커패시터 전압(v_cap)/ 배터리 전압(v_bat) * DC/DC 컨버터의 효율(η)] 의 수식으로 상기 슈퍼 커패시터의 대응 전류값(i_dcdc)을 설정하고, 상기 제어부에 저장한다. 상기 저장후,제어부(107)에서 슈퍼 커패시터의 대응 전류값(i_dcdc) 신호를 도 4의 i_dcdc 절점에 내보낸다.
즉 상기 S14~S16 단계에서, 상기 제어부가 트랜지스터를 turn on하여, 상술한 충전과정 및 방전과정을 제어하여 상기 슈퍼 커패시터와 배터리에 과도하게 충방전이 되는 것을 막아주고, 또한 상기 슈퍼 커패시터의 모터부하 전류(i_motor)에 대한 대응과 상기 배터리에 과도한 모터 부하 전류(i_motor)가 걸리지 않도록 하는 제어단계이다.
S17 단계는 상기 제어부에서 상기 배터리의 전압값(v_bat)와 배터리의 과전압을 방지하기 위해 설정된 전압값(v_bat_limit)를 비교한후, 상기 과전압을 방지하기 위해 설정한 값(v_bat_limit)가 더 크면, 상기 모터 부하 전류(i_motor)와 상기 배터리의 평균 부하 전류(i_mean)를 비교하는 단계와, 상기 모터 부하 전류(i_motor)가 0 의 값보다 크거나 작은지를 비교하는 단계이다.
상기 배터리의 평균 부하 전류(i_mean)는 상기 배터리의 최대 허용 방전전류와 충전전류 사이의 전류로서, 상기 평균 부하 전류(i_mean)는 배터리에 따라 다른 값으로 설정되어 상기 제어부에 입력 할수있다. 또한 모터의 부하 전류(i_motor)는 전기 자동차가 주행시 모터에 흐르는 전류를 말한다.
상기 S17단계에서, 상기 배터리의 평균 부하전류(i_mean)가 더 크고 그리고 상기 모터 부하 전류(i_motor)가 0 의 값보다 크면 상기한 S14~S16 단계로 간다. S14~S16의 단계를 전술 하였으므로 이하 상세한 설명을 생략한다.
S18 단계는, 상기 S17 단계에서 상기 제어부가 비교한 상기 모터부하전류(i_motor)가 상기 배터리의 평균 부하전류(i_mean)보다 크고, 상기 모터 부하 전류(i_motor)가 0 보다 작으면, 상기 슈퍼 커패시터의 최대 전압값(v_cap_max)와 최소 전압값(v_cap_min)을 비교하는 단계이다.
상기 슈퍼 커패시터의 전압(v_cap)이 상기 최대 전압값(v_cap_max)를 넘거나 상기 최소 전압값(v_cap_min) 밑으로 되면 S19 단계로 간다. 상기 S19 단계는 상기 제어부에서, 상기 트랜지스터를 turn off하여 상기 슈퍼 커패시터의 대응 전류값(i_dcdc)을 0 으로 설정하고 상기 제어부에 저장한다. 그리고 상기 제어부에서 저장후에 상기 슈퍼 커패시터의 대응 전류값(i_dcdc) 신호를 도 4의 i_dcdc 절점에 내보낸다. 즉 상기 S17~S19 단계는 상기 슈퍼 커패시터에 적절한 전압유지가 될수 있도록 하여 상기 슈퍼 커패시터와 배터리가 과전압이 되지 않도록 하고 또한 상기 슈퍼 커패시터의 모터 부하 전류(i_motor)에 대한 대응과 상기 배터리에 과도한 모터 부하 전류(i_motor)가 걸리지 않도록 하는 제어단계이다.
S20단계는, 상기 슈퍼 커패시터의 전압값(v_cap)이 상기 최대 전압값(v_cap_max)를 넘지 않거나 최소 전압값(v_cap_min) 보다 높은 값을 가지면 상기 모터 부하 전류(i_motor)가 0 보다 크거나 작은 값를 가지는 판단하는 S20 단계로 간다. 상기 S20 단계에서 상기 제어부에서, 상기 모터 부하 전류(i_motor)가 0 보다 큰 값을 가지면 S21 단계로 가고 상기 제어부에서, 상기 트랜지스터를 turn on하여, 상술한 방전과정 제어를 한다. 그리고 상기 제어부가 [슈퍼 커패시터의 대응 전류값(i_dcdc) = 모터의 부하 전류(i_motor) - 배터리의 평균 부하 전류(i_mean)] 로 설정하고 상기 제어부에 저장한다. 상기 제어부에서 저장후 상기 슈퍼 커패시터의 대응 전류값(i_dcdc) 신호를 도 4의 i_dcdc 절점에 내보낸다. 즉 상기 S21 단계는 전기 자동차가 주행시에 모터의 부하전류(i_motor) 급격한 변화에 상기 슈퍼 커패시터의 보호와 상기 배터리에 과도한 모터의 부하 전류(i_motor)가 걸리는 것을 막아주는 제어단계이다.
S22 단계는 상기 최대 전압값(v_cap_max)을 넘지 않거나 최소 전압값(v_cap_min) 보다 높은 값을 가지고 있고, 상기 모터 부하 전류(i_motor)가 0 보다 작은 값을 가지면 상기 제어부가 트랜지스터를 turn on하여, 상술한 충전과정 제어를 한다. 그리고 상기 제어부에서 [상기 슈퍼 커패시터의 대응 전류값(i_dcdc) = 상기 모터 부하 전류((i_motor)] 로 설정하고 상기 제어부에 저장한다. 상기 제어부에서, 상기 저장후 상기 슈퍼 커패시터의 대응 전류값(i_dcdc) 신호를 도 4의 i_dcdc 절점에 내보낸다.
즉 상기 S22 단계는 상술한 상기 회생제동에 의해서 상기 모터가 발전기로 동작하여 상기 슈퍼 커패시터에 전압을 충전하고 또한 모터의 부하 전류(i_motor)에 대한 대응과 상기 배터리에 과도한 모터의 부하 전류(i_motor)가 걸리지 않도록 하는 제어단계이다.
그리고 상기 단계들에서 결정된 슈퍼 커패시터에 대응한 전류값(i_dcdc)들은, [슈퍼 커패시터의 최대 허용 전류값(i_cap_max) = 0.12 * 슈퍼 커퍼시터의 전압(v_cap)/4* 슈퍼 커패시터의 등가 직렬(RESR)] 값을 넘지 않는다. 상기 값은 본 발명이 속하는 분야의 당업자들에게 자명한 므로 자세한 설명은 생략한다.
도 6은 본 발명인 전기 부하 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
상기 시뮬레이션 결과를 보면 상기 슈퍼 커패시터의 대응 전류값(i_dcdc)을 능동적으로 제어함으로써, 상기 슈퍼 캐퍼시터의 전류(i_cap)가 모터의 부하 전류 (i_motor)에 대응됨을 알수있다. 이제까지 본 발명에 대하여 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 따라서 본 발명의 범위는 전술한 실시예에 한정되지 않고 특허청구범위에 기재된 내용 및 그와 동등한 범위 내에 있는 다양한 실시 형태가 포함되도록 해석되어야 할 것이다.
102 : 배터리 104 :모터 105 :슈퍼 커패시터
106 : 양방향 DC/DC 컨버터 107 : 제어부

Claims (10)

  1. 슈퍼 커패시터, 양방향 DC/DC 컨버터, 배터리, 모터 및 제어부를 구비한 전기 자동차 전원 장치에 있어서,
    상기 전기 자동차 구동시 발생되는 상기 모터의 부하 전류값, 상기 배터리의 전압값, 상기 슈퍼 커패시터의 전압값, 상기 슈퍼 커패시터의 대응 전류값을 읽고, 상기 값들을 상기 제어부에 저장하는 단계;
    상기 제어부에서, 상기 배터리의 전압값과 상기 배터리의 과전압을 방지하기 위해 설정된 전압값을 비교하는 단계;
    상기 제어부에서, 상기 배터리의 전압값과 상기 배터리의 과전압을 방지하기 위해 설정된 전압값을 비교하는 단계이후, 상기 슈퍼 커패시터의 전압값과 상기 슈퍼 커패시터의 SOC(State Of Charge) 전압값을 비교하여 상기 슈퍼 커패시터의 대응 전류값을 도출하는 단계; 와 상기 모터의 부하 전류값을 상기 배터리의 평균 부하 전류값과 비교하여 상기 슈퍼 커패시터의 대응 전류값을 도출하는 단계; 를 구비하여 상기 모터의 부하 전류 변화에 대한 대응과 상기 배터리를 보호 해주는 것을 특징으로 하는 전기 자동차 전원장치의 제어방법.



  2. 제1항에 있어서, 상기 배터리의 전압값과 상기 배터리의 과전압을 방지하기 위해 설정된 전압값을 비교하는 단계와, 상기 슈퍼 커패시터의 전압값과 상기 슈퍼 커패시터의 SOC(State Of Charge) 전압값을 비교하는 단계에서,
    상기 배터리의 전압값이 상기 배터리의 과전압을 방지하기 위해 설정된 전압값보다 크고, 상기 슈퍼 커패시터의 전압값이 상기 슈퍼 커패시터의 SOC(State Of Charge) 전압값보다 크면,
    상기 제어부에서, 상기 슈퍼 커패시터의 대응 전류값을(i_dcdc=0)으로 도출하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차 전원장치의 제어방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 배터리의 전압값과 상기 배터리의 과전압을 방지하기 위해 설정된 전압값을 비교하는 단계와, 상기 슈퍼 커패시터의 전압값과 상기 슈퍼 커패시터의 SOC(State Of Charge) 전압값을 비교하는 단계에서,
    상기 배터리의 전압값이 상기 배터리의 과전압을 방지하기 위해 설정된 전압값보다 크고, 상기 슈퍼 커패시터의 SOC(State Of Charge) 전압값이 상기 슈퍼 커패시터 전압보다 크면,
    상기 제어부에서,
    상기 슈퍼 커패시터의 대응 전류값은[i_dcdc=(i_cap_min*v_cap)/(v_bat*η)] 으로 도출하여 상기 슈퍼 커패시터의 충전 상태를 60%로 제어하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차 전원장치의 제어방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 배터리의 전압값과 상기 배터리의 과전압을 방지하기 위해 설정된 전압값을 비교하는 단계와, 상기 모터의 부하 전류값을 상기 배터리의 평균 부하 전류값과 비교하는 단계에서,
    상기 배터리의 과전압을 방지하기 위해 설정된 전압값이 상기 배터리의 전압값보다 크고, 상기 배터리의 평균 부하 전류값이 상기 모터의 부하 전류값보다 크고, 상기 모터의 부하 전류값이 0 보다 크면,
    상기 제어부에서,
    상기 슈퍼 커패시터의 대응 전류값은[i_dcdc=(i_cap_min*v_cap)/(v_bat*η)] 으로 도출하여 상기 슈퍼 커패시터의 충전 상태를 60%로 제어하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차 전원장치의 제어방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 배터리의 전압값과 상기 배터리의 과전압을 방지하기 위해 설정된 전압값을 비교하는 단계와, 상기 모터의 부하 전류값을 상기 배터리의 평균 부하 전류값과 비교하는 단계에서,
    상기 배터리의 과전압을 방지하기 위해 설정된 전압값이 상기 배터리의 전압값보다 크고, 상기 모터의 부하 전류값이 상기 배터리의 평균 부하 전류값보다 크고, 상기 모터의 부하 전류값이 0 보다 작으면,
    상기 제어부에서, 상기 슈퍼 커패시터 전압값과 상기 슈퍼 커패시터 최대전압값, 상기 슈퍼 커패시터 전압값과 상기 슈퍼 커패시터 최소전압값을 비교하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차 전원장치의 제어방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 슈퍼 커패시터 전압값과 상기 슈퍼 커패시터 최대전압값, 상기 슈퍼 커패시터 전압값과 상기 슈퍼 커패시터 최소전압값을 비교하는 단계에서,
    상기 슈퍼 커패시터의 전압값이 상기 최대 전압값을 넘거나,상기 최소 전압값 보다 낮은 값을 가지면, 상기 제어부에서, 상기 슈퍼 커패시터의 대응 전류값은 (i_dcdc=0)으로 도출하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차 전원 장치의 제어방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 슈퍼 커패시터 전압값과 상기 슈퍼 커패시터 최대전압값, 상기 슈퍼 커패시터 전압값과 상기 슈퍼 커패시터 최소전압값을 비교하는 단계에서,
    상기 슈퍼 커패시터의 전압값이 상기 최대 전압값을 넘지않고, 상기 최소 전압값 보다 높은 값을 가지고, 상기 모터의 부하 전류값이 0 보다 크면, 상기 제어부에서, 상기 슈퍼 커패시터의 대응 전류값은(i_dcdc=i_motor-i_mean)으로 도출하고,
    상기 모터의 부하 전류값이 0 보다 작으면, 상기 슈퍼 커패시터의 대응 전류값은 (i_dcdc=i_motor)로 도출하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차 전원장치의 제어방법.
  8. 제1항 내지 제8항중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 슈퍼 커패시터 대응 전류값 i_dcdc는, 상기 슈퍼 커패시터가 허용하는 최대전류값 [i_cap_max=(0.12*v_cap)/(4*RESR)] 을 넘지 않는 것을 특징으로 하는 전기 자동차 전원장치의 제어방법.
  9. 슈퍼 커패시터, 양방향 DC/DC 컨버터, 배터리, 모터 및 제어부를 구비한 전기 자동차의 전원 장치에 있어서,
    전기 자동차 구동시 필요한 전기 에너지를 공급하는 배터리;
    상기 전기 에너지를 받아 상기 자동차를 구동시키며, 상기 자동차가 제동시 발전기로 동작하는 모터;
    상기 배터리에 병렬로 연결되고 상기 자동차가 가속시 필요한 전기 에너지를 공급하거나 상기 자동차가 제동시 상기 모터로부터 회생 전기 에너지를 공급 받아 충전하는 슈퍼 커패시터; 및
    상기 배터리와 상기 슈퍼 커패시터 사이에 병렬 연결되어 상기 모터의 부하전류값에 따른 상기 슈퍼 커패시터의 대응 전류값을 도출하게 해주는 양방향 DC/DC 컨버터를 구비하는 것을 특징으로 전기 자동차 전원장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 슈퍼 커패시터, 양방향 DC/DC 컨버터, 배터리 및 모터와 연결되어 이들을 제어하는 제어부를 구비하는 것을 특징으로 전기 자동차 전원 장치.









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