KR20200057282A - 전기차의 회생 발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기차의 회생 발전 시스템에 관한 것으로서, 전기차의 바퀴를 트랜스 액슬을 통해 구동하는 모터와, 트랜스 액슬로부터 바퀴로 이어지는 동력전달 구동축을 통해 발생되는 회전력에 의해 전력을 발생할 수 있게 설치된 발전기와, 모터를 구동하는 구동부를 구비하고, 구동부는 배터리와, 보조 충전부와, 배터리와 보조 충전부 사이에 접속되어 모터로부터 인버터를 통해 역으로 흐르는 회생 전류를 보조 충전부에 출력할 수 있도록 된 전력변환부와, 모터로부터 인버터를 통해 흐르는 회생 전류를 검출하는 전류검출부와, 전류검출부로부터 회생전류가 검출되면 보조 충전부로 충전되게 충전을 수행하는 충전모드를 수행하는 제어부를 구비한다.

Description

전기차의 회생 발전 시스템{regenerative system of electric vehicle}
본 발명은 전기차의 회생 발전 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 바퀴로부터 발생되는 회생전력을 충전하여 활용할 수 있도록 된 전기차의 회생 발전 시스템에 관한 것이다.
최근 화석에너지 소모량의 증가에 의하여 대기 중 이산화탄소, 일산화탄소, 질소산화물, 미세먼지 등의 대기오염 물질 배출량의 증가와 더불어 심각한 대기 오염을 유발하고 있다.
대기 오염에 따른 지구 온난화와 기후변화는 전 세계 곳곳의 다양한 지역에서 폭우, 폭설, 가뭄, 폭서, 한파 등 다양한 기상이변을 발생시키고 있다.
따라서, 화석연료의 사용을 최소화하면서 차량의 연비를 극대화하고자 하는 에너지 효율 제고 분야에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
또한, 차량 기술의 발달에 따라 하이브리드 전기차(HEV), 플러그인 하이브리드 전기차(PHEV), 전기차(EV), 연료전지전기차(FCEV) 등의 신에너지 자동차 분야의 기술 발전이 상당한 성과를 보이고 있으며 전 세계적으로 친환경자동차 보급이 상당히 확대되고 있다.
전기차의 경우, 주행거리를 확장하기 위한 주행거리 확장 장치와, 동일 중량에서 배터리 용량을 증가시키기 위한 연구 등 다양한 분야의 지속적인 노력을 통해 배터리용량 30㎾h 이하의 전기차에서 1회 충전에 주행거리 최대 250㎞ 정도를 달성하고 있다.
또한, 전기차의 제동시 발생되는 회생전력을 충전하여 이용할 수 있는 방안이 국내 등록특허 제10-1301760호 등 다양하게 제안되어 있다.
그런데, 종래의 회생전력 회수방식은 모터에서 발생되는 회생전류로만 제한되는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 발전기를 통해 회생전력 회수 효율을 향상시킬 수 있는 전기차의 회생 발전 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 전기차의 회생 발전 시스템은 전기차의 바퀴를 트랜스 액슬을 통해 구동하는 모터와; 상기 트랜스 액슬로부터 상기 바퀴로 이어지는 동력전달 구동축을 통해 발생되는 회전력에 의해 전력을 발생할 수 있게 설치된 발전기와; 상기 모터를 구동하는 구동부;를 구비하고, 상기 구동부는 상기 전기차의 상기 모터에 인버터를 통해 전력을 공급할 수 있도록 된 배터리와; 복수 개의 슈퍼커패시터가 직렬로 상호 접속된 보조 충전부와; 상기 배터리와 상기 보조 충전부 사이에 접속되어 상기 모터로부터 상기 인버터를 통해 역으로 흐르는 회생 전류를 제어신호에 따라 변환하여 상기 보조 충전부에 출력할 수 있도록 된 전력변환부와; 상기 모터로부터 상기 인버터를 통해 역으로 흐르는 회생 전류를 검출하는 전류검출부와; 상기 인버터에서 발생되는 회생전류에 대응되는 제1전압을 검출하는 제1전압검출부와; 상기 보조충전부의 제2전압을 검출하는 제2전압검출부와; 상기 전류검출부로부터 회생전류가 검출되면 상기 보조 충전부로 충전되게 충전을 수행하는 충전모드를 수행하고, 상기 충전모드에서는 상기 제1 및 제2전압검출부로부터 검출된 제1 및 제2전압 정보로부터 상기 전력변환부를 통해 출력되는 전압 또는 전류가 조정되게 상기 전력변환부를 제어하여 상기 보조충전부로 충전이 이루어지도록 하는 제어부;를 구비한다.
바람직하게는 상기 동력전달 구동축의 회전력을 상기 발전기의 회전축으로 전달 또는 전달해제시킬 수 있게 설치된 클러치와; 상기 전류검출부에서 출력되는 전기적 신호에 대해 동일 위상으로 제1단자를 통해 제1신호를 출력하고, 제2단자를 통해 제1단자와 위상반전된 제2신호를 출력하는 위상 전환 출력부와; 상기 위상 전환 출력부의 제1단자에서 출력되는 제1신호로부터 상기 제2단자에서 출력되는 제2신호를 차감하여 상기 제어부에 출력하는 노이즈 제거처리부;를 더 구비하고, 상기 제어부는 상기 노이즈 제거처리부로부터 회생전류가 검출되면 상기 동력전달 구동축과 상기 발전기의 회전축이 상호 연동되어 회전되게 상기 클러치를 제어하고, 상기 노이즈 제거처리부로부터 회생전류가 검출되지 않으면 상기 동력전달 구동축과 상기 발전기의 회전축이 상호 분리되게 상기 클러치를 제어한다.
또한, 상기 전력변환부는 상기 제어부에 제어되어 스위치 온/오프 되어 상기 보조 충전부와 상기 인버터를 상호 접속 또는 분리시키는 제1스위치부와; 일단이 상기 보조충전부와 접속되어 상기 제어부의 제어신호에 따라 스위치 온/오프 되는 제2스위치부와; 일단이 상기 보조충전부와와 접속되어 상기 제어부의 제어신호에 따라 스위치 온/오프 되는 제3스위치부와; 상기 제2스위치부의 타단과 상기 인버터 사이에 접속되어 입력된 전력을 설정된 정전류로 출력하는 정전류부와; 상기 제3스위치부의 타단과 상기 인버터 사이에 접속되어 입력된 전력을 설정된 승압전압으로 승압하여 출력하는 승압부;를 구비하고, 상기 제어부는 충전모드시 상기 제2전압이 상기 제1전압보다 높으면 상기 제3스위치부가 스위치온되게 제어하여 상기 승압부를 거쳐 상기 보조 충전부로 전력이 인가되게 하고, 상기 제1전압이 상기 제2전압보다 높으면서 보조 충전부의 충전율이 70% 미만이면, 상기 제1스위치부가 스위치 온되게 제어하여 상기 보조충전부로 전력이 인가되게 하고, 상기 제1전압이 상기 제2전압보다 높으면서 보조 충전부의 충전율이 70% 이상이면, 상기 제2스위치부를 스위치온되게 제어하여 상기 정전류부를 거쳐 상기 보조 충전부에 전력이 인가되게 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 전기차의 회생 발전 시스템에 의하면, 모터에서 발생되는 회생전력뿐만 아니라 동력전달 구동축을 통해 발전되는 전력도 회수할 수 있는 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차의 회생 발전 시스템을 개략적으로 나타내 보인 도면이고,
도 2는 도 1의 구동부의 상세 제어계통을 나타내 보인 도면이고,
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기차의 회생 발전 시스템을 개략적으로 나타내 보인 도면이고,
도 4는 도 2의 전류검출부와 제어부 사이에 노이즈를 제거하기 위한 요소를 나타내 보인 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기차의 회생 발전 시스템을 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차의 회생 발전 시스템을 개략적으로 나타내 보인 도면이고, 도 2는 도 1의 구동부의 상세 제어계통을 나타내 보인 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 전기차의 회생 발전 시스템(100)은 전기차(10)의 바퀴(20)를 트랜스 액슬(250)을 통해 구동하는 모터(M)(230)와, 모터(230)를 구동하는 구동부(C)(110) 및 발전기(180)를 구비한다.
모터(M)(230)는 전기차(10)의 바퀴(20) 구동용 전동기로서 적용된 것으로 일반적으로 브러시리스(BLDC) 모터를 적용하고, 인버터(170)를 통해 공급된 전력에 의해 구동되고 제동시에는 회전에 의해 발생되는 전기에너지를 인버터(170)의 스위칭소자(S1 내지 S6)에 병렬상으로 접속된 환류다이오드(D11 내지 D16)를 통해 회생전류를 출력한다.
트랜스 액슬(T)(250)은 모터(230)에서 생성된 동력을 바퀴(20)로 전달할 수 있도록 되어 있다.
참조부호 30은 동력 전달회전축(40)의 회전력을 각각의 바퀴로 전달하는 동력중계요소이다.
발전기(180)는 트랜스 액슬(250)로부터 바퀴(20)로 이어지는 동력전달 구동축(40)을 통해 발생되는 회전력에 의해 전력을 발생할 수 있게 설치되어 있다.
도시된 예에서 발전기(180)는 동력전달 구동축(40)에 코일이 권선된 회전자(181)를 형성하고, 회전자(181)를 감싸며 영구자석들이 배치된 고정자(182)를 갖게 형성된 구조로 되어 있다.
이 경우 동력전달 구동축(40)이 회전되면 발전기(180)에서 생성된 전력은 후술되는 회전전류 도통경로(174)와 접속되어 제2다이오드(D2)를 통해 보조 충전부(120)로 충전된다.
이와는 다르게, 발전기(180)는 인버터(170)로부터 회생전류가 생성될 때만 동력전달 구동축(40)의 회전력을 전달받아 전력을 생성하고, 인버터(170)로부터 회생전류가 생성되지 않을 때는 동력전달 구동축(40)의 회전력을 전달받지 않도록 구축될 수 있고 그 예를 도 3을 참조하여 설명한다.
도 3을 참조하면, 동력전달 구동축(40)의 회전력을 동력전달 구동축(40)과 분리되어 설치된 발전기(180)의 회전축으로 전달 또는 전달해제시킬 수 있게 설치된 클러치(185)가 마련되어 있다.
클러치(185)는 동력을 중계 및 중계해제시킬 수 있는 공지된 다양한 구조로 적용될 수 있다.
이 경우 구동부(110)의 제어부는 제2전류검출부(cs2)(142)로부터 회생전류가 검출되면 동력전달 구동축(40)과 발전기(180)의 회전축이 상호 연동되어 회전되게 클러치(185)를 제어하고, 제2전류검출부(cs2)(142)로부터 회생전류가 검출되지 않으면 동력전달 구동축(40)과 발전기(180)의 회전축이 상호 분리되게 클러치(185)를 제어한다.
구동부(110)는 배터리(111), 보조 충전부(120), 전력변환부(130), 제1 및 제2전류검출부(141)(142), 제1 및 제2전압검출부(151)(152), 인버터(170), 제어부(200)를 구비한다.
인버터(170)는 전압원인 배터리(111) 또는 보조충전부(120)에서 공급되는 직류전원을 브러시리스 모터 드라이버(미도시)에 의해 선택적으로 제어되는 스위칭소자(S1 내지 S6)에 의해 교류상으로 변환하여 3상 모터(230)로 공급하도록 되어 있고, 그 구조는 공지되어 있어 상세한 설명은 생략한다.
배터리(111)는 인버터(170)를 통해 전력을 공급할 수 있도록 인버터(170)의 양단에 접속되어 있다.
배터리(111)는 리튬이온 배터리 등 공지된 것을 적용하면 된다.
참조부호 C2는 배터리(111)와 인버터(170) 사이에 접속된 평활용 콘덴서이다.
보조 충전부(120)는 다수개의 슈퍼커패시터가 직렬로 상호 접속되어 에너지를 충전 또는 방전할 수 있도록 후술되는 전력변환부(130)를 통해 배터리(111)와 병렬접속되어 있다.
여기서 슈퍼 커패시터는 저전압(2.7V) 및 대용량(100~1000F)을 갖는 커패시터를 말하며, 양극 사이에 산화금속 및 폴리메르 화합물을 사용하여 전하를 충전함으로써 전기화학적 작용에 의해 전하를 충전하는 배터리(111)와 구조가 다르다.
따라서 보조 충전부(120)는 요구하는 전압레벨에 적합하도록 다수의 슈퍼커패시터(121)를 직렬로 연결하여 뱅크 형태로 사용하면 되고, 직렬연결에 의한 불균등 충전현상을 억제하고, 과충전 현상을 방지할 수 있도록 구축된다.
전력변환부(130)는 배터리(111)와 보조 충전부(120) 사이에 접속되어 모터(230)로부터 인버터(170)를 통해 역으로 흐르는 회생 전류를 제어부(200)의 제어신호에 따라 변환하여 보조 충전부(120)에 출력할 수 있도록 되어 있다.
전력변환부(130)는 제1 내지 제3스위치부(131 내지 133), 정전류부(135), 승압부(136)를 구비한다.
제1스위치부(131)는 제어부(200)에 제어되어 스위치 온/오프 되며, 보조충전부(111)의 출력단(125)과 인버터(170)로 이어지는 인덕터(L1)의 일단에 직렬상으로 설치되어 있어 보조 충전부(120)와 인버터(170)를 상호 접속 또는 분리시킨다.
참조부호 127은 보조충전부(120)의 타단이며 접지라인(G)과 접속되어 있다.
제1스위치부(131)는 보조충전부(120)의 출력단(125)을 통해 출력되는 전기에너지를 그대로 인버터(170)로 출력하거나, 인버터(170)로부터의 회생전류를 그대로 보조충전부(120)에 공급하는데 이용된다.
제2스위치부(132)는 일단이 보조 충전부(120)의 출력단(125)과 접속되어 있고, 타단은 정전류부(135)에 접속되어 제어부(200)의 제어신호에 따라 스위치 온/오프 되어 회생전류가 정전류부(135)를 거쳐 보조충전부(120)에 공급 또는 차단한다.
제3스위치부(133)는 일단이 보조 충전부(120)의 출력단(125)과 접속되어 있고, 타단은 승압부(136)에 접속되어 제어부(200)의 제어신호에 따라 스위치 온/오프 되어 회생전류를 승압부(136)를 통해 보조 충전부(120)에 공급 및 차단한다.
정전류부(135)는 제2스위치부(132)의 타단과 인버터(170) 사이 즉, 인덕터(L1)에 접속되어 입력된 전력을 설정된 정전류로 변환하여 출력한다.
승압부(136)는 제3스위치부(133)의 타단과 인버터(170) 사이 즉, 인덕터(L1)에 접속되어 입력된 전력을 설정된 승압전압으로 승압하여 출력한다.
승압부(136)는 디시-디시(DC-DC) 컨버터가 적용될 수 있다.
여기서 제어부(200)와 제1 내지 제3 스위치(131 내지 133)와의 제어신호선은 a, b, c로 대응되게 표기하고 연장부분을 생략하였다.
전류검출부는 인버터(170)로 공급되는 부하전류와, 제동시 모터(230)로부터 인버터(170)를 통해 역으로 흐르는 회생 전류를 검출하도록 제1 및 제2전류검출기(CS1 및 CS2)(141 및 142)가 적용되었다.
제1전류검출기(CS1)(141)는 배터리(111)로부터 인버터(170)로 이어지는 전류공급 경로(172)상에 설치되어 인버터(172)로 공급되는 부하전류를 검출하여 제어부(200)에 출력한다.
제1전류검출기(141)와 배터리(111)의 양극단자(112) 사이에는 인버터(170)로 공급되는 전류만 도통될 수 있게 제1다이오드(D1)가 접속되어 있다.
제2전류검출기(142)는 인버터(170)로 이어지는 전류공급 경로(172)와 병렬상으로 접속된 회생전류 도통경로(174) 상에 접속된 제2다이오드(D2)를 통해 흐르는 회생전류를 검출할 수 있도록 설치되어 있다.
여기서 회생전류는 전기차(10)의 제동시 또는 내리막실에서 비동력으로 주행시 모터(230)로부터 인버터(170)의 환류다이오드(D11 내지 D16)를 통해 역으로 흐르는 전류를 말한다.
과전압완충부(190)는 보조충전부(120)의 충방전시 발생되는 과전압을 억제하기 위해 제1스위치부(131)의 타단과 배터리(111)의 양극단자(112) 사이에 접속된 인덕터(L1)와, 보조 충전부(120)와 병렬접속된 제1커패시터(C1)로 되어 있다.
제1전압검출부(151)는 인버터(170)에서 발생되는 회생전류에 대응되는 제1전압을 검출하며, 도시된 예에서는 배터리(111)의 양극단자(112)를 통해 제1전압을 검출하여 제어부(200)에 제공한다.
제2전압검출부(152)는 보조 충전부(120)의 제2전압을 검출하여 제어부(200)에 제공한다.
제어부(200)는 전기차(10)의 주행 조작, 제동조작 등을 지원되는 조작부(미도시)로부터 수신된 운전 조작 신호에 따라 인버터(170)의 구동을 제어한다.
제어부(200)는 제1 및 제2전류검출부(141)(142)에서 검출된 정보 및 제1 및 제2전압검출부(151)(152)에서 검출된 정보를 이용하여 전력변환부(130)를 제어한다.
제어부(200)는 제2전류검출부(142)에서 회생전류가 검출되면 보조 충전부(120)로 충전되게 충전을 수행하는 충전모드를 수행하고, 충전모드시에는 제1 및 제2전압검출부(151)(152)로부터 검출된 제1 및 제2전압 정보로부터 전력변환부(130)를 통해 출력되는 전압 또는 전류가 조정되게 전력변환부(130)를 제어하여 보조충전부(120)로 충전이 이루어지도록 처리한다.
제어부(200)는 충전모드시 보조충전부(120)의 제2전압이 제1전압보다 높으면 제3스위치부(133)가 스위치온되게 제어하여 승압부(136)를 거쳐 보조 충전부(120)로 전력이 인가되게 한다.
또한, 제어부(200)는 회생전류에 의해 생성되는 제1전압이 제2전압보다 높으면서 보조 충전부(120)의 충전율이 70% 미만이면, 제1스위치부(131)가 스위치 온되게 제어하여 보조충전부(120)로 전력이 인가되게 한다.
여기서 제2전압값에 대응되는 충전율값은 미리 실험에 의해 산출되어 제어부(200) 내의 룩업테이블(미도시)에 기록되어 있다.
따라서, 제어부(200)는 제2전압값으로부터 룩업테이블을 참조하여 충전율을 산출한다.
또한, 제어부(200)는 제1전압이 제2전압보다 높으면서 보조 충전부의 충전율이 70% 이상이면, 충전휴율을 높이기 위해 제2스위치부(132)를 스위치온되게 제어하여 정전류부(135)를 거쳐 보조 충전부(120)에 전력이 인가되게 처리한다.
한편, 회생전류를 검출하는 제2전류검출부에서 출력되는 신호의 노이즈를 제거하여 제어부(200)에 제공하는 것이 바람직하고 그 예를 도 4를 참조하여 설명한다.
도 4를 참조하면, 제2전류검출부(142)와 제어부(200) 사이에 위상 전환출력부(147)와 노이즈 제거처리부(148)가 마련되어 있다.
위상전환출력부(147)는 제2전류검출부(142)에서 출력되는 전기적 신호에 대해 동일 위상으로 제1단자(147a)를 통해 제1신호(A-)를 출력하고, 제2단자(147b)를 통해 제1단자(147a)와 위상반전된 제2신호(A)를 출력한다.
노이즈 제거 처리부(148)는 위상 전환 출력부(147)의 제1단자(147a)에서 출력되는 제1신호(A-)로부터 제2단자(147b)에서 출력되는 제2신호(A)를 차감하여 제어부(200)에 출력한다.
위상 전환 출력부(147)는 제2전류검출부(142)에서 출력되는 신호를 증폭한 다음 증폭된 신호를 그대로 제1단자(147a)를 통해 출력하고, 위상 증폭된 신호의 위상을 반전시켜 제2단자(147b)를 통해 출력하도록 구축될 수 있음은 물론이다.
이러한 위상 전환 출력부(147) 및 노이즈 제거처리부(148)는 정상신호는 2배 증폭시키고 노이즈 성분은 제거되게 할 수 있다.
이 경우 제어부(200)는 노이즈 제거처리부(148)로부터 수신된 신호로부터 회생전류가 검출되면 앞서 설명된 바와 같이 클러치(185)가 접속되게 제어하고, 노이즈 제거처리부(148)로부터 수신된 신호로부터 회생전류가 검출되지 않으면 클러치(185)를 접속해제되게 제어한다.
이상에서 설명된 전기차의 회생 발전 시스템에 의하면, 모터에서 발생되는 회생전력뿐만 아니라 동력전달 구동축을 통해 발전되는 전력도 회수할 수 있는 장점을 제공한다.
110:구동부 180: 발전기
230: 모터 250: 트랜스 액슬

Claims (2)

  1. 전기차의 바퀴를 트랜스 액슬을 통해 구동하는 모터와;
    상기 트랜스 액슬로부터 상기 바퀴로 이어지는 동력전달 구동축을 통해 발생되는 회전력에 의해 전력을 발생할 수 있게 설치된 발전기와;
    상기 모터를 구동하는 구동부;를 구비하고,
    상기 구동부는
    상기 전기차의 상기 모터에 인버터를 통해 전력을 공급할 수 있도록 된 배터리와;
    복수 개의 슈퍼커패시터가 직렬로 상호 접속된 보조 충전부와;
    상기 배터리와 상기 보조 충전부 사이에 접속되어 상기 모터로부터 상기 인버터를 통해 역으로 흐르는 회생 전류를 제어신호에 따라 변환하여 상기 보조 충전부에 출력할 수 있도록 된 전력변환부와;
    상기 모터로부터 상기 인버터를 통해 역으로 흐르는 회생 전류를 검출하는 전류검출부와;
    상기 인버터에서 발생되는 회생전류에 대응되는 제1전압을 검출하는 제1전압검출부와;
    상기 보조충전부의 제2전압을 검출하는 제2전압검출부와;
    상기 전류검출부로부터 회생전류가 검출되면 상기 보조 충전부로 충전되게 충전을 수행하는 충전모드를 수행하고, 상기 충전모드에서는 상기 제1 및 제2전압검출부로부터 검출된 제1 및 제2전압 정보로부터 상기 전력변환부를 통해 출력되는 전압 또는 전류가 조정되게 상기 전력변환부를 제어하여 상기 보조충전부로 충전이 이루어지도록 하는 제어부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기차의 회생 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 동력전달 구동축의 회전력을 상기 발전기의 회전축으로 전달 또는 전달해제시킬 수 있게 설치된 클러치와;
    상기 전류검출부에서 출력되는 전기적 신호에 대해 동일 위상으로 제1단자를 통해 제1신호를 출력하고, 제2단자를 통해 제1단자와 위상반전된 제2신호를 출력하는 위상 전환 출력부와;
    상기 위상 전환 출력부의 제1단자에서 출력되는 제1신호로부터 상기 제2단자에서 출력되는 제2신호를 차감하여 상기 제어부에 출력하는 노이즈 제거처리부;를 더 구비하고,
    상기 제어부는 상기 노이즈 제거처리부로부터 회생전류가 검출되면 상기 동력전달 구동축과 상기 발전기의 회전축이 상호 연동되어 회전되게 상기 클러치를 제어하고, 상기 노이즈 제거처리부로부터 회생전류가 검출되지 않으면 상기 동력전달 구동축과 상기 발전기의 회전축이 상호 분리되게 상기 클러치를 제어하는 것을 특징으로 하는 전기차의 회생 발전 시스템.
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KR102636190B1 (ko) * 2023-08-24 2024-02-14 강대성 전기차의 자가발전장치

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