KR20160128805A - 이중 배터리 패키지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기 자전거를 위한 경량화된 배터리 패키지에 관한 것이다.이중 배터리 패키지는 배터리, 부스트 컨버터, 및 일단이 상기 배터리의 양극 및 상기 부스트 컨버터와 제1 노드에서 연결되고 타단이 제2노드에서 상기 부스트 컨버터와 연결된 커패시터를 포함하고, 제2 노드를 통해 외부 부하에 전류를 공급한다. 이렇게 구현된 이중 배터리 패키지는 기존에 제품에 비해 신뢰성이 높아질 수 있고, 배터리의 무게와 부피 및 원가를 줄일 수 있게 된다.

Description

이중 배터리 패키지{Dual Battery Package}

본 발명은 전기 자전거를 위한 경량화된 배터리 패키지에 관한 것이다.

전기 자전거는 배터리, 모터 구동 인버터 및 모터를 구비한다. 전기 자전거는 탑승자가 페달을 구르는 힘을 동력으로 사용할 수 있지만, 모터의 힘을 동력으로 사용하기도 한다.

강압형 인버터를 채용한 기존의 자전거는 모터 정격전압인 24V보다 배터리 전압이 높게(예를 들어 36V) 설정되어야 한다. 전기 자전거용 배터리로 주로 리튬계열의 2차 전지가 사용되는데 이러한 전압을 얻기 위하여 배터리 셀들을 직렬로 연결하여 사용한다. 배터리 셀들을 직렬로 연결하는 것은 배터리의 신뢰성을 전체적으로 저하시키는 요인이 되고 있다. 한편 모터에 순간적으로 최대 전류를 공급할 수 있도록 배터리의 방전 전류가 커야 하는데 이를 위해 여러 개의 배터리를 병렬로 연결하여 사용하기도 한다.

이러한 요인들은 배터리의 신뢰성을 저하시키고 배터리의 무게와 부피를 증가시키고 나아가 전기 자전거의 원가 상승 요인이 되고 있다.

도 1은 36V/10A의 배터리 전원을 사용하는 기존의 전기 자전거의 구동부를 보여준다.

배터리(10)는 36V의 전압과 10A의 전류를 공급할 수 있도록 12V/10A의 배터리 셀 3개를 직렬로 연결하여 구현한다.배터리(10)는 인버터 회로(20)에 공급되고, 전류를 공급하고 인버터 회로(20)는 모터(30)를 구동한다.

도 2를 참조하면, 기존의 전기 자전거는 출발한 직후(기동 시)에는 속도가 매우 느리지만 모터에 공급되는 전류는 급격히 증가한다. 그러다가 속도가 최대에 도달할 무렵이면(정상 주행 시) 모터에 공급되는 전류는 다시 줄어든다. 배터리는 이러한 최대전류를 공급할 수 있어야 한다. 배터리에서 공급되는 최대전류가 작을 경우에 전기 자전거의 가속도는 줄어들게 된다. 따라서 전기 자전거를 기동할 때 적절한 가속도를 얻을 수 있도록 충분한 전류 공급능력을 갖는 배터리를 사용한다.

도 3은 인버터 회로의 구성을 보여주는 개념도이다.

인버터 회로(20)는 배터리(10)에서 전류를 공급받아서 모터(30)로 공급한다. 통상적으로 인버터 회로(20)는 복수 개(예를 들면, 6개)의 인버터들(21)을 포함하고 있다.

인버터(21)는 PWM 신호 발생기(22)의 신호에 따라 모터(30)에 전류를 공급한다. 인버터(21)는 PWM 신호 발생기(22)에서 발생한 신호의 듀티비(Duty Ratio)가 작을 경우에는 모터(30)에 적은 전류 공급하고 듀티비가 클 경우에는 많은 전류를 공급한다.

PWM 신호가 생성되는 과정을 살펴보면 다음과 같다.

제1비교기(26)가 목표 각속도 신호와 모터(30)의 현재 각속도를 비교한 값을 출력하면, 속력 제어기(25)가 그 값에 어떤 상수 값을 곱해서 목표 전류 신호를 생성한다.

제2비교기(24)가 인버터(21)가 모터(30)에 공급하는 전류와 목표 전류를 비교하면, 전류 제어기(23)가 그 값에 다른 상수 값을 곱해서 목표 전압 신호를 생성한다.

PWM 신호 발생기(22)는 목표 전압 신호에 따른 듀티비를 갖는 PWM 신호를 발생하고, 이를 이용하여 인버터(21)가 모터로 전류를 공급한다.

이러한 종래 기술은 높은 배터리 전압과 큰 전류를 위해 많은 배터리 셀을 직렬 및 병렬 연결한다. 이는 배터리의 신뢰성 저하, 무게 증가, 부피 증가 및 비용증가를 초래한다.

특허 제10-1065309호는 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 기술이 개시되어 있다. 구체적으로 살펴보면 커패시터를 이용하여 평상시에 배터리가 공급하는 전류를 충전해뒀다가 최대 전류가 필요할 경우에 배터리 전류 외에도 커패시터의 전류를 모터로 함께 공급한다. 이렇게 함으로써 배터리의 병렬 연결하는 개수를 줄일 수 있고, 무게와 부피 및 원가를 줄일 수 있다. 그렇지만 이 기술에서도 여전히 고압 커패시터를 사용해야 하고, 다수 배터리의 직렬 연결에 의한 신뢰성 저하 문제는 여전히 남아 있다.

한편 이러한 종래의 전기 자전거의 배터리가 방전된 경우에 이미 충전된 배터리와 교환하거나 별도의 외부 충전기를 사용하여 충전한다. 그렇지만 전기 자전거를 이용할 때, 충전된 교체용 배터리 또는 외부 충전기를 별도로 운반해야 하는 불편함이 있다.

따라서, 본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점들을 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 커패시터를 이용하여 고전압 배터리 사용 문제를 해결하고, 배터리의 무게 및 비용 절감을하는 것을 하나의 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 충전기 혹은 인버터 회로를 배터리와 함께 배터리 패키지에 통합하여 배터리 패키지의 신뢰성을 높이고 원가절감 및 사용의 편의성을 증대하는 것을 다른 목적으로 한다.

상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하고, 후술하는 본 발명의 특징적인 효과를 실현하기 위한, 본 발명의 특징적인 구성은 하기와 같다.

본 발명의 일 태양에 따르면, 이중 배터리 패키지는 배터리, 부스트 컨버터, 및 일단이 상기 배터리의 양극 및 상기 부스트 컨버터와 제1 노드에서 연결되고 타단이 제2 노드에서 상기 부스트 컨버터와 연결된 커패시터를 포함하고, 제2 노드를 통해 외부 부하에 전류를 공급한다.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 이중 배터리 패키지는 배터리, 부스트 컨버터 및 커패시터 이외에 충전기를 포함한다. 이 때 충전기에 포함된 트랜스포머의 2차 코일은 부스트 컨버터의 인덕터 역할을 함께 수행할 수도 있다.

본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 이중 배터리 패키지는 배터리, 부스트 컨버터 및 커패시터 외에 인버터 회로를 포함한다.

본 발명에 적어도 일부 실시 태양에 따르면,이중 배터리 패키지는 배터리 및 커패시터를 함께 이용하기 때문에 저전압배터리를 사용할 수 있고, 이는 배터리 패키지의 신뢰성 증가와 무게 및 부피 감소를 가능케 하고 원가를 절감할 수 있게 한다.

본 발명의 적어도 일부 실시 태양에 따르면, 이중 배터리 패키지는 충전기를 통합하고 있어서, 사용자의 편의성이 크게 증가한다. 또한 충전기의 일부 구성요소를 기존 배터리 패키지의 구성요소와 유기적으로 통합함으로써 원가 절감이 가능하다.

본 발명의 적어도 일부 실시 태양에 따르면, 이중 배터리 패키지는 인버터 회로를 통합하고 있어서 별도로 설계할 때에 비해 신뢰성 상승을 기대할 수 있다.

도 1은 기존의 전기 자전거의 구동부를 보여주는 개념도이다.
도 2는 전기 자전거의 모터에 공급되는 전류의 크기를 보여주는 그래프이다.
도 3은 인버터 회로의 구성을 보여주는 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예의 따른 이중 배터리 패키지를 보여주는 도면이다.
도 5는 부스트 컨버터의 구성을 간략히 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예의 따른 이중 배터리 패키지를 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이중 배터리 패키지를 보여주는 도면이다.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예의 따른 이중 배터리 패키지를 보여주는 도면이다.

이중 배터리 패키지(1)는 배터리(100)와 커패시터(200)와 부스트 컨버터(300)를 포함한다.

이중 배터리 패키지(1)는 사용자의 제어에 따른 전류를 인버터 회로(400)에 공급하는데, 전기 자전거가 기동하거나 모터의 출력을 최대로 해야할 경우에 커패시터(200)와 배터리(100) 양자 모두가 인버터 회로(400)에 전류를 공급하고, 모터가 출력을 최대로 하지 않아도 되는 경우(예를 들면 정상 주행시)에는 배터리(100)만 전류를 공급한다.

배터리(100)는 두 개의 12V/10A의 배터리 셀을 병렬로 연결하여 사용할 수 있다. 배터리(100)의 양극은 노드 1에 연결되고 배터리(100)의 음극은 접지와 연결된다. 배터리(100)는 부스트 컨버터(300)를 포함하여 여러 제어 회로(도시되지 않음)에 전류 혹은 전압을 공급한다.

노드 1을 통해 공급되는 12V의 전압은 부스트 컨버터(300)를 거쳐 노드 2의 전압은 36V로 승압된다. 따라서 노드 1과 노드 2 사이에 연결된 커패시터(200)에는 24V의 전압이 걸린다.

인버터 회로(400)는 이중 배터리 패키지(1)로부터 전류를 공급받고, 이에 비례하는 전류를 모터(500)로 공급한다. 이러한 인버터 회로(400)는 복수 개의 인버터들을 포함할 수 있다. 또한 기존에 검증된 인버터 회로를 사용할 수도 있다.

인버터 회로(400)는 BLDC(Brush-Less Direct Current) 모터나 PMSM(Permanent-Magnet Synchronous Motor)에 적합한 강압형 6-스위치 DC/AC 인버터(Power MOSFET 6개로 구현할 수 있음)들로 구현할 수 있고, MOSFET의 온오프 제어를 위해 마이크로 프로세서 및 인버터 제어 로직을 포함하도록 구현할 수 있다. 본 실시예에서 인버터 회로(400)를 구현할 때, 기존에 일반적으로 사용하는 회로를 채용한다.

인버터 회로(400)는 도 4의 실시예와 같이 이중 배터리 패키지에 포함되지 않고 별개로 구현되는 것도 가능하지만, 이중 배터리 패키지에 포함되도록 구현될 수도 있다. 이중 배터리 패키지에 포함되도록 구현될 경우에는 이중 배터리 패키지의 가격이 상승하지만 별도로 양자를 별개로 구현하고 이를 통합할 때에 비해 통합에 따른 신뢰성 저하를 피할 수 있다. 한편 이중 배터리 패키지의 가격 상승분은 별개의 인버터 회로 구현에 따른 비용 발생을 억제하는 것에 의해 상쇄시킬 수 있다. 이하의 다른 실시예는 이중 배터리 패키지 안에 인버터 회로가 구현되지 않은 것을 기준으로 설명하고 통합된 버전에 대한 설명은 생략한다.

모터(500)는 인버터 회로(400)로부터 전류를 공급받아 회전운동을 한다. BLDC 모터나 PMSM 모터 중 어느 것을 채택해도 무방하다. 저가형 전기 자전거 구현을 위해 DC 모터를 사용할 수 있는데, 이 경우에 인버터 회로의 수정이 필요하다.

이하, 이중 배터리 패키지의 동작을 살펴본다.

전기 자전거가 기동할 때, 배터리(100)에서 부스트 컨버터(300)를 통해서 노드 2를 거쳐 인버터 회로(400)로 필요한 전류의 일부가 공급된다. 부스트 컨버터의 적절한 제어를 통해 배터리(100)에서 공급하는 전류의 최대치를 제한이 가능하고, 이에 따라 배터리(100)의 용량, 즉 병렬 연결 셀 수를 줄일 수 있다. 기동 시 인버터 회로(400)에 필요한 모자라는 전류는 커패시터(200)에서 노드 2를 거쳐 공급된다.

전기 자전거의 기동상태가 끝나고 정상 운행 중일 때 캐패시터(200)에서 인버터 회로(400)에 공급하는 전류는 없고, 배터리(100)에서 부스트 컨버터(300)를 통해 필요한 인버터(400) 회로 전류를 모두 공급한다. 즉, 캐패시터(200)는 기동 시 짧은 시간 동안만 전력공급을 행하므로 적은 용량으로 구현 가능하다. 이를 통해 배터리 패키지의 경량화와 저비용화를 달성할 수 있다.

전기 자전거가 제동할 때, 모터(500)에서 발생하는 역전류는 인버터(400)를 거쳐 노드 2를 통해 커패시터(200)로 공급되어 기동 시에 방전된 커패시터(200)를 일부 충전하게 된다. 전기 자전거가 완전 정지(휴식) 중에 있을 때는 배터리(100)에서 부스트 컨버터(300)를 통해 기동 시 방전된 커패시터(200)를 완전히 충전하게 된다.

본 발명에 사용되는 부스트 컨버터는 일반적으로 사용되는 전력 회로 Topology 를 채용할 수 있다.

도 5는 부스트 컨버터의 구성 예를 나타낸다. 부스트 컨버터(300)는 노드 1과 노드 2, 그리고 접지 노드 사이에 인덕터Lb(320), 스위칭 부(330), 스위칭 부 (310)를 구비하는데, 스위칭 부(330) 컨버터 제어회로(340)에서 발생한 스위치 도통/차단 신호에 따라 도통 차단을 반복한다.

스위칭 부(310)는 주로 다이오드 D6를 사용하며, 경우에 따라 SW1을 추가해도 무방하다. 단, SW1 의 도통은 SW2 의 차단시에만, SW1의 차단은 SW2의 도통시에 발생하도록 SW1을 도통/차단해야 한다. 제어회로(340)에서 발생하는 신호는 통상 수십 KHz 이상의 신호이고, 도통 신호 발생시 스위칭 부(330)는 도통되고 스위칭 부(310)는 차단된다. 이때 배터리(100) - 인덕터Lb - SW2의 경로로 전류가 흘러 인덕터에 에너지가 저장된다.

차단 신호 발생시 스위칭 부(330)는 차단되고 배터리(100) - 인덕터 - SW1의 경로로 인덕터에 저장된 에너지는 배터리(100) 에너지와 더해져서 인버터 회로(400)로 전달하게 된다. 따라서, 노드 N2 와 접지 노드 사이 전압은 배터리 (100) 전압보다 크게 부스팅 되어 인버터 회로 (400)에 인가된다.

스위치(330)의 도통/차단 동작은 Ts의 주기로 반복되며, 스위치 도통 시간을 Ton 이라고 하면, 시비율 D 를 Ton/Ts 로 정의할 수 있다.

전기 자전거의 기동 시 많은 인버터 전류가 필요하면, 시비율 D를 크게 하여 동작한다. 스위치(330)의 도통 시간이 길어져 인덕터에 저장된 에너지가 커져서, 기동 시 순간 필요 전력을 공급할 수 있다. 단, 배터리(100)의 허용 전류 이상이 공급되지 않도록 시비율 D의 크기를 제한하고 동작한다. 기동 시 모자라는 전력은 상기 서술한 바대로 커패시터(200)에서 공급한다. 정상/운행 조건시 에는 시비율 D가 낮아지도록 동작한다. 제동시나 완전 휴식기에는 노드 2와 접지 노드 사이의 전압이 인버터 (400) 허용 전압 미만이 되도록 시비율 D 조절 동작을 행한다. 이는 배터리(100)의 수명에 도움을 준다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예의 따른 이중 배터리 패키지를 보여주는 도면이다.

이중 배터리 패키지(2)는 도 4의 이중 배터리 패키지(1)와 마찬가지로 배터리와 부스트 컨버터 및 커패시터가 구비된 회로인 이중 배터리 장치(600)를 포함할 뿐만 아니라 충전기(700)도 포함한다. 충전기(700)에는 트랜스 포머(710)가 구비되어 220V의 교류전압을 낮추어서 충전 과정에서 배터리에 발생할 수 있는 데미지를 줄여 줄 뿐 아니라, 전기적 절연이 가능하여 사용자 감전 사고등 안전을 보장한다. .

인버터 회로(400)는 이중 배터리 패키지(1)에 포함되지 않지만 포함되도록 구현하는 것도 가능하다.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이중 배터리 패키지를 보여주는 도면이다.

도 6의 이중 배터리 패키지(2)는 충전기(700)를 이중 배터리 패키지에 포함시킴으로써 사용자가 별도로 충전기를 갖고 다니게 하는 불편함을 줄이는 것에 그쳤지만,본 실시예에 따른 이중 배터리 패키지(3)는 기존에 부스트 컨버터에 포함되어 있는 인덕터를 충전기(900)에 포함된 트랜스 포머(910)의 2차 코일로 사용한다. 이렇게 함으로써 부품을 줄일 수 있고, 원가와 무게를 줄일 수 있다.

이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.

따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

100: 배터리 200: 커패시터
300: 부스트 컨버터 310: 스위칭 회로
400: 인버터 회로 500: 모터
600, 800: 이중 배터리 장치 700, 900: 배터리 충전기

Claims (5)

1. 배터리,부스트 컨버터, 및 일단이 상기 배터리의 양극 및 상기 부스트 컨버터와 제1 노드에서 연결되고 타단이 제2노드에서 상기 부스트 컨버터와 연결된 커패시터를 포함하고,
   제2 노드를 통해 외부 부하에 전류를 공급하는 이중 배터리 패키지.
2. 제1항에 있어서, 상기 부스트 컨버터는
   상기 제1 노드 및 제3 노드 사이에 연결되고, 부스팅을 위하여 일시적으로 에너지를 저장하는 인덕터;
   상기 제2노드 및 상기 제3 노드 사이에 연결되는 제1 스위칭부;
   상기 제3 노드 및 상기 배터리의 음극 사이에 연결되는 제2 스위칭부; 및
   상기 제1스위칭부를 차단할 때, 제2스위칭부를 도통시키고, 상기 제1스위칭부를 도통시킬 때 상기 제2스위칭부를 차단시키는 컨버터 제어회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 배터리 패키지.
3. 제2항에 있어서, 상기 컨버터 제어회로는
   상기 제2스위칭부가 도통되는 시간(Ton)을 제2스위칭부가 차단되는 시간(Ts)으로 나는 시비율(Ton/Ts)로서 상기 부스트 컨버터의 출력을 제어하는데, 제동시 또는 완전 휴식기에 노드2의 전압이 허용 전압 미만이 되도록 유지하는 것을 특징으로 하는 이중 배터리 패키지.
4. 배터리, 부스트 컨버터, 일단이 상기 배터리의 양극 및 상기 부스트 컨버터와 제1 노드에서 연결되고 타단이 제2노드에서 상기 부스트 컨버터와 연결된 커패시터, 및 배터리 충전기를 포함하되,
   상기 배터리 충전기는 트랜스 포머를 포함하고, 상기 트랜스 포머의2차 코일의 일단은 상기 배터리의 양극과 연결되고 타단은 상기 부스트 컨버터에 연결되어 부스팅 동작에서 일시적으로 에너지를 저장하는 인덕터 역할을 수행하는 것을 특징으로 하는 이중 배터리 패키지.
5. 제4항에 있어서, 상기 부스트 컨버터는
   상기 제1 노드 및 제3 노드 사이에 연결되고, 부스팅을 위하여 일시적으로 에너지를 저장하며, 상기 트랜스포머의 2차 코일인 인덕터;
   상기 제2노드 및 상기 제3 노드 사이에 연결되는 제1 스위칭부;
   상기 제3 노드 및 상기 배터리의 음극 사이에 연결되는 제2 스위칭부; 및
   상기 제1스위칭부를 차단할 때, 제2스위칭부를 도통시키고, 상기 제1스위칭부를 도통시킬 때 상기 제2스위칭부를 차단시키는 컨버터 제어회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 배터리 패키지.
   

Images