KR20180024191A

KR20180024191A - 엔진발전시스템

Info

Publication number: KR20180024191A
Application number: KR1020160109902A
Authority: KR
Inventors: 김경만; 우병국; 김태권; 강찬호
Original assignee: 주식회사 이지트로닉스
Priority date: 2016-08-29
Filing date: 2016-08-29
Publication date: 2018-03-08

Abstract

본 발명은 2개의 PWM인버터를 대칭으로 구성하여 직류발전과 교류발전을 겸하여 직류전력과 교류전력을 동시에 제어할 수 있으므로 여러가지 상황에 전원을 적절하게 공급할 수 있는 장점이 있고, BMS 및 셀어레이를 부가함으로써 발전된 전력을 효율적으로 저장할 뿐만 아니라, 여러가지 상황에 전원을 적절하게 공급할 수 있는 장점이 있으므로, 자동차의 전력효율을 증대시키고 결과적으로 자동차의 연비를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 회전력을 공급하는 엔진, 차량의 구성요소로 제어신호를 인가하는 ECU, 상기 엔진의 회전력에 의한 발전을 수행하는 발전기, 상기 발전기의 교류를 직류로 변환하는 GCU, 전달된 직류를 교류로 변환하는 SIV를 포함하는 엔진발전시스템에 있어서, 상기 GCU와 상기 SIV는 각각 스위칭소자로 이루어진 PWM인버터로 구성되어 직류전원과 교류전원을 동시에 제어하고; 상기 GCU와 상기 SIV는 3상의 교류를 변환하기 위한 두 개의 스위칭소자가 각 상(120°) 마다 구비된 것을 특징으로 한다.

Description

엔진발전시스템{generation system for engine}

본 발명은 엔진발전시스템에 관한 것으로, 더 상세하게는 2개의 PWM인버터를 대칭으로 구성하여 직류발전과 교류발전을 겸하여 직류전력과 교류전력을 동시에 제어할 수 있고, BMS 및 셀어레이를 부가함으로써 발전된 전력을 효율적으로 저장하도록 한 엔진발전시스템에 관한 것이다.

도 1을 참고하면, 엔진(1)이 교류발전기(Generator; 3)를 구동하여 전기에너지를 발생시키고, 계통연계 운전을 할 경우 엔진(1)이 교류발전기(3)의 속도(위치)를 제어하여 교류발전기(3)의 출력전압 위상과 주파수를 계통전력에 동기하여 무효 순환전류가 유입되지 않도록 제어한다. 이때, 참조부호 2는 자동차의 엔진, 자동변속기, ABS 따위의 상태를 컴퓨터로 제어하는 전자제어 장치인 ECU이다.

도 2를 참고하면, 엔진(1)이 교류발전기(3)를 구동하여 교류전력을 발생시키고, 발생된 교류전력을 정류기(Rectifier; 5)를 통하여 직류로 변성된다. 변성된 (리플을 포함한) 직류로부터 정지형인버터(6, Static Inverter : SIV)를 통해 단상 혹은 3상 교류전력으로 변성시킨다.

발생된 교류전력은 SIV(6)의 캐리어(Carrier) 주파수에 의해 고정시킬 수 있으므로 엔진이 계통주파수와 위상을 맞추기 위해 어렵게 제어하지 않아도 무방하고, 도 1의 경우보다 구조적으로 복잡하지만, 엔진 출력과 속도를 가변시켜가면서 계통전력의 크기를 제어할 수 있는 이점이 있다. 이때, 참조부호 4는 인버터를 지칭한다.

도 3을 참조하면, 엔진과 연동된 발전기에서 생성된 교류전력이 Rectifier에 의해 (맥류를 포함한) 직류전력으로 변성되고, SIV를 통해 PWM 파형이 인가되면 L-C 필터 등에 의해 정현파가 형성된다.

등록번호 10-1463784호(엔진발전 전기자동차용 인버터)에 따르면, "엔진발전 전기자동차의 모터제어기와 발전기제어기에 이용되는 통합형 인버터 장치에 관한 것으로, 엔진발전 전기자동차용 인버터는, 복수의 전력용 반도체를 구비하는 전력용 반도체 모듈의 전력용 반도체 플레이트, 전력용 반도체 플레이트의 일면에 일체로 배치되는 방열핀, 방열핀을 포위하며 금속판 상에 부착되는 하우징, 및 방열핀과 하우징 사이의 냉매유동유로를 포함한다."라고 개시된 바가 있다.

자동차의 엔진을 이용하는 발전시스템은 현재 무수한 실험과 시행착오를 거쳐서 상용화단계에 있지만, 아직도 개선해야될 부분이 매우 많은 분야이기도 하다.

본 발명의 발명자는 직류발전과 교류발전을 겸하는 것이 더욱더 효율적이기 때문에 직류전력과 교류전력을 동시에 제어할 필요가 있고, 발전된 전력을 효과적으로 저장하도록 한 엔진발전시스템을 개발할 필요가 있다는 점에 본 발명의 착안의 토대가 있다.

본 발명은 상술한 필요성을 충족시키기 위한 것으로, 직류발전과 교류발전을 겸하여 직류전력과 교류전력을 동시에 제어할 수 있고, BMS 및 셀어레이에 의해서 발전 전력을 효율적으로 저장하도록 한 엔진발전시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 회전력을 공급하는 엔진, 차량의 구성요소로 제어신호를 인가하는 ECU, 상기 엔진의 회전력에 의한 발전을 수행하는 발전기, 상기 발전기의 교류를 직류로 변환하는 GCU, 전달된 직류를 교류로 변환하는 SIV를 포함하는 엔진발전시스템에 있어서, 상기 GCU와 상기 SIV는 각각 스위칭소자로 이루어진 PWM인버터로 구성되어 직류전원과 교류전원을 동시에 제어하고; 상기 GCU와 상기 SIV는 3상의 교류를 변환하기 위한 두 개의 스위칭소자가 각 상(120°) 마다 구비된 것을 특징으로 한다.

실시예에서, 상기 GCU는 상기 발전기의 교류전원을 가변시킬 수 있는 직류전원으로 변성시키고, 상기 발전기의 출력전압보다 높은 전압으로 승압되는 것이다.

실시예에서, 상기 GCU와 상기 SIV 사이에 연결되어, 공통으로 동작하는 DC 링크 커패시터(DC link capacitor)가 구비된 것이다.

실시예에서, 상기 GCU와 상기 SIV 사이에 BMS 및 셀어레이가 연결 구성된 것이다.

실시예에서, 상기 엔진발전시스템은; 1)발전된 교류전력을 계통 즉, 부하측으로 공급하거나, 2)발전된 교류전력을 계통으로 공급함과 동시에, BMS 및 셀어레이로 직류전원을 충전시키거나, 3)발전된 직류전원을 BMS 및 셀어레이로 직류전원을 충전시키거나, 4)BMS 및 셀어레이에 충전된 직류전원을 계통으로 공급하거나, 5)계통에 잉여전력이 남아 있을 때에는 SIV를 통해서 BMS 및 셀어레이로 충전하거나, 6)BMS 및 셀어레이로부터 방전된 전력으로부터 GCU가 발전기를 제어하여 엔진을 아이들(idle) 시키는 것이다.

본 발명의 바람직한 효과에 따르면, 2개의 PWM인버터를 대칭으로 구성하여 직류발전과 교류발전을 겸하여 직류전력과 교류전력을 동시에 제어할 수 있으므로 여러가지 상황에 전원을 적절하게 공급할 수 있는 장점이 있고, BMS 및 셀어레이를 부가함으로써 발전된 전력을 효율적으로 저장할 뿐만 아니라, 여러가지 상황에 전원을 적절하게 공급할 수 있는 장점이 있다.

따라서, 전체적으로 자동차의 전력효율을 증대시키고 결과적으로 자동차의 연비를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1 내지 도 3은 종래의 엔진발전시스템을 설명하기 위한 블록도.
도 4는 본 발명에 따른 엔진발전시스템을 개략적으로 나타낸 블록도.
도 5는 본 발명에 따른 엔진발전시스템의 GCU와 SIV를 세부적으로 나타낸 회로도.
도 6은 본 발명에 따른 엔진발전시스템에서 교류발전과 직류발전 겸용으로 이용되는 경우를 설명하기 위한 회로도.
도 7은 본 발명에 따른 엔진발전시스템에 BMS 및 셀어레이가 부가된 회로도.
도 8 내지 도 9는 도 7에 도시된 BMS 및 셀어레이가 부가된 시스템에서 여러가지 상황을 설명하기 위한 블록도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.

도 4는 본 발명에 따른 엔진발전시스템을 개략적으로 나타낸 블록도이고, 도 5는 본 발명에 따른 엔진발전시스템의 GCU와 SIV를 세부적으로 나타낸 회로도이며, 도 6은 본 발명에 따른 엔진발전시스템에서 교류발전과 직류발전 겸용으로 이용되는 경우를 설명하기 위한 회로도이다.

도 4 내지 도 6을 참조하면, 회전력을 공급하는 엔진(11), 차량의 구성요소로 제어신호를 인가하는 ECU(12), 상기 엔진의 회전력에 의한 발전을 수행하는 발전기(13)가 구비된다.

또한, 상기 발전기(13)의 교류를 직류로 변환하는 GCU(15), 전달된 직류를 교류로 변환하는 SIV(16)를 포함하여 구성되고, 상기 GCU(15), 상기 SIV(16)는 PWM인버터로 구성된다.

즉, 상기 GCU(15)와 상기 SIV(16)는 각각 스위칭소자로 이루어진 PWM인버터로 구성되어 직류전원과 교류전원을 동시에 제어하도록 구성된다.

또한, 상기 GCU(15)와 상기 SIV(16)는 3상의 교류를 변환하기 위한 두 개의 스위칭소자가 각 상(120°) 마다 구비되는데, 두개의 스위칭소자는 각각 플러스측과 마이너스측으로 구분되어 배치된다.

이때, 상기 GCU(15)는 상기 발전기(13)의 교류전원을 가변시킬 수 있는 직류전원으로 변성시키고, 상기 발전기(13)의 출력전압보다 높은 전압으로 승압된다.

그리고, 도 5에 나타낸 바와 같이, 상기 GCU(15)와 상기 SIV(16) 사이에 연결되어, 공통으로 동작하는 DC 링크 커패시터(DC link capacitor)가 구비되어 각 인버터에 각각 존재하지 않아도 되므로 슬림 사이즈로 설계하기가 용이하다.

도 6에 나타낸 바와 같이, GCU(15)와 SIV(16) 사이로 직류를 출력할 수 있기 때문에, 본 발명의 엔진발전시스템은 교류발전과 직류발전을 겸하여 동작할 수 있다.

한편, 상술한 바와 같은 엔진발전시스템에 BMS(17) 및 셀어레이(18)를 부가함으로써, 더욱더 효율적인 발전시스템을 구현할 수 있는데, 이를 살펴보도록 한다.

도 7은 본 발명에 따른 엔진발전시스템에 BMS 및 셀어레이가 부가된 회로도이고, 도 8 내지 도 9는 도 7에 도시된 BMS 및 셀어레이가 부가된 시스템에서 여러가지 상황을 설명하기 위한 블록도이다.

상술한 엔진발전시스템의 GCU(15)와 SIV(16) 사이에 플러스, 마이너스를 구분하여 BMS(Battery Management system; 17), 셀어레이(cell array; 18)를 연결하여 부가한다.

1)AC 발전

도 8에 나타낸 바와 같이, 발전된 교류전력을 계통 즉, 부하측으로 공급할 수 있다.

2)AC 발전과 DC 발전

도 9에 나타낸 바와 같이, 발전된 교류전력을 계통으로 공급함과 동시에, BMS(17) 및 셀어레이(18)로 직류전원을 충전시킨다.

3)DC 발전

도 10에 나타낸 바와 같이, 발전된 직류전원을 BMS(17) 및 셀어레이(18)로 직류전원을 충전시킨다.

4)배터리방전

도 11에 나타낸 바와 같이, BMS(17) 및 셀어레이(18)에 충전된 직류전원을 계통으로 공급할 수 있다.

5)잉여전력충전

도 12에 나타낸 바와 같이, 계통에 잉여전력이 남아 있을 때에는 SIV(16)를 통해서 BMS(17) 및 셀어레이(18)로 충전할 수 있다.

6)엔진 아이들(idle)

도 13에 나타낸 바와 같이, BMS(17) 및 셀어레이(18)로부터 방전된 전력으로부터 GCU(15)가 발전기(13)를 제어하여 엔진(11)을 아이들(idle) 시킬 수 있는데, 이때 엔진(11)에 시동모터를 구비하지 않아도 된다.

11 ; 엔진 12 ; ECU
13 ; 발전기 14 ; 인버터
15 ; GCU 16 ; SIV
17 ; BMS 18 ; 셀어레이

Claims

회전력을 공급하는 엔진, 차량의 구성요소로 제어신호를 인가하는 ECU, 상기 엔진의 회전력에 의한 발전을 수행하는 발전기, 상기 발전기의 교류를 직류로 변환하는 GCU, 전달된 직류를 교류로 변환하는 SIV를 포함하는 엔진발전시스템에 있어서,
상기 GCU와 상기 SIV는 각각 스위칭소자로 이루어진 PWM인버터로 구성되어 직류전원과 교류전원을 동시에 제어하고;
상기 GCU와 상기 SIV는 3상의 교류를 변환하기 위한 두 개의 스위칭소자가 각 상(120°) 마다 구비된 것을 특징으로 하는 엔진발전시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 GCU는 상기 발전기의 교류전원을 가변시킬 수 있는 직류전원으로 변성시키고, 상기 발전기의 출력전압보다 높은 전압으로 승압되는 것을 특징으로 하는 엔진발전시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 GCU와 상기 SIV 사이에 연결되어, 공통으로 동작하는 DC 링크 커패시터(DC link capacitor)가 구비된 것을 특징으로 하는 엔진발전시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 GCU와 상기 SIV 사이에 BMS 및 셀어레이가 연결 구성된 것을 특징으로 하는 엔진발전시스템.
청구항 4에 있어서,
상기 엔진발전시스템은,
1)발전된 교류전력을 계통 즉, 부하측으로 공급하거나,
2)발전된 교류전력을 계통으로 공급함과 동시에, BMS 및 셀어레이로 직류전원을 충전시키거나,
3)발전된 직류전원을 BMS 및 셀어레이로 직류전원을 충전시키거나,
4)BMS 및 셀어레이에 충전된 직류전원을 계통으로 공급하거나,
5)계통에 잉여전력이 남아 있을 때에는 SIV를 통해서 BMS 및 셀어레이로 충전하거나,
6)BMS 및 셀어레이로부터 방전된 전력으로부터 GCU가 발전기를 제어하여 엔진을 아이들(idle) 시키는 것을 특징으로 하는 엔진발전시스템.