KR101572755B1 - 회생 제동 에너지 충전용 전력 변환 시스템 및 그것의 콘덴서 수명 측정 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 콘덴서를 회생 제동 에너지 충전 장치로 사용한 차량의 전력 변환 장치에서 차량 운전자의 운전 패턴과 콘덴서의 수명을 예측할 수 있는 콘덴서의 충방전 전압 정보를 수집하여 콘덴서와 배터리의 수명을 측정하고 운전자의 운전 패턴을 감지하여 콘덴서와 배터리의 수명을 연장할 수 있도록 하는 회생 제동 에너지 충전용 전력 변환 시스템 및 그것의 콘덴서 수명 측정 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 회생 제동 에너지 충전용 전력 변환 시스템은, 차량에 전원을 공급하거나 충전하는 배터리; 상기 차량의 제동(Brake) 상태를 감지하기 위한 제동 감지부; 상기 차량의 제동 온(ON) 시에 여자전류를 통해 회생 제동 에너지를 발생시키는 발전기(Alternator); 상기 발전기에서 발생된 회생 제동 에너지를 충전하는 콘덴서; 상기 콘덴서의 전압과 상기 배터리의 전압을 측정하기 위한 전압 측정부; 상기 차량의 제동 오프(OFF) 시에 상기 콘덴서에 충전되어 있는 전력을 상기 배터리에 정전류(Constant Current)로 충전시키는 충전 모듈부; 및 상기 콘덴서의 전압과 내부 저항(ESR)을 통해 수명을 측정해 일정 이하가 되는 경우에 운전자에게 알람해 주도록 제어하는 전자 제어부(ECU)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 회생 제동 에너지 충전용 전력 변환 시스템은, 차량에 전원을 공급하거나 충전하는 배터리; 상기 차량의 제동(Brake) 상태를 감지하기 위한 제동 감지부; 상기 차량의 제동 온(ON) 시에 여자전류를 통해 회생 제동 에너지를 발생시키는 발전기(Alternator); 상기 발전기에서 발생된 회생 제동 에너지를 충전하는 콘덴서; 상기 콘덴서의 전압과 상기 배터리의 전압을 측정하기 위한 전압 측정부; 상기 차량의 제동 오프(OFF) 시에 상기 콘덴서에 충전되어 있는 전력을 상기 배터리에 정전류(Constant Current)로 충전시키는 충전 모듈부; 및 상기 콘덴서의 전압과 내부 저항(ESR)을 통해 수명을 측정해 일정 이하가 되는 경우에 운전자에게 알람해 주도록 제어하는 전자 제어부(ECU)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 회생 제동 에너지 충전용 전력 변환 시스템 및 그것의 콘덴서 수명 측정 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 콘덴서를 회생 제동 에너지 충전 장치로 사용한 차량의 전력 변환 장치에서 차량 운전자의 운전 패턴과 콘덴서의 수명을 예측할 수 있는 콘덴서의 충방전 전압 정보를 수집하여 콘덴서와 배터리의 수명을 측정하고 운전자의 운전 패턴을 감지하여 콘덴서와 배터리의 수명을 연장할 수 있도록 하는 회생 제동 에너지 충전용 전력 변환 시스템 및 그것의 콘덴서 수명 측정 방법에 관한 것이다.
일반적으로 전해 콘덴서 등의 콘덴서는 각종 전자 회로에 많이 사용 되었지만, 저항 등의 다른 구성 부품과 비교한다면 비교적 짧은 수명을 가지는 소모품이다. 특히, 직류 전원을 교류 전원으로 변환하고 교류 전동기를 제어하는 인버터 등의 전력 변환 장치에서 전해 콘덴서가 고장나면 주변 구성 부품에 치명적인 고장을 야기한다. 그 때문에 전력 변환 장치 등의 경우에 가동 시간이 일정 시간을 넘으면 남은 수명에 관계없이 일률적으로 전해 콘덴서를 새로운 것으로 교환하는 오버 홀을 행하고 있다.
그러나, 오버 홀을 행하는 간격은 제품에 사용 되는 전해 콘덴서 중 가장 악조건으로 사용 되는 것에 맞춰 설정할 필요가 있기 때문에 그 수명이 단축되지 않을 수 있다. 또한, 제품에 사용되는 모든 전해 콘덴서를 일률적으로 교환하지 않으면 안되기 때문에 오버 홀을 행하기 위해 장시간을 필요로 하는 경우가 많다. 또, 오버 홀을 행하기 위해서는 장치를 장시간 정지시킬 필요가 있을 뿐만 아니라 비용도 많이 드는 문제점이 있었다.
한편, 콘덴서를 회생 제동 에너지 충전 장치로 차량에 사용할 경우에 콘덴서의 충방전 전압 정보는 차량 운전자의 운전 패턴과 콘덴서의 수명을 예측할 수 있는 데이터로 사용할 수 있다.
그런데, 종래에는 운전자 감속 운전 패턴을 측정하기 위해 가속도 센서 등을 운전자 감속 패턴 측정에 사용하였으며, 회생 제동 에너지 충전용 콘덴서의 수명 예측이 없이 과전압 감지 등을 통한 기기보호 및 간접적인 수명을 판단하였다.
따라서, 종래의 차량에는 운전자 감속 운전 패턴을 측정하기 위한 별도의 장치가 설치되어 있지 않아서 회생 제동 에너지 충전용 콘덴서와 차량 배터리의 수명 예측에 어려움이 있었다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 콘덴서를 회생 제동 에너지 충전 장치로 사용한 차량의 전력 변환 장치에서 차량 운전자의 운전 패턴과 콘덴서의 수명을 예측할 수 있는 콘덴서의 충방전 전압 정보를 수집하여 콘덴서와 배터리의 수명을 측정하고 운전자의 운전 패턴을 감지하여 콘덴서와 배터리의 수명을 연장할 수 있도록 하는 회생 제동 에너지 충전용 전력 변환 시스템 및 그것의 콘덴서 수명 측정 방법을 제공함에 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 차량에 전원을 공급하거나 충전하는 배터리; 상기 차량의 제동(Brake) 상태를 감지하기 위한 제동 감지부; 상기 차량의 제동 온(ON) 시에 여자전류를 통해 회생 제동 에너지를 발생시키는 발전기(Alternator); 상기 발전기에서 발생된 회생 제동 에너지를 충전하는 콘덴서; 상기 콘덴서의 전압과 상기 배터리의 전압을 측정하기 위한 전압 측정부; 상기 차량의 제동 오프(OFF) 시에 상기 콘덴서에 충전되어 있는 전력을 상기 배터리에 정전류(Constant Current)로 충전시키는 충전 모듈부; 및 상기 콘덴서의 전압과 내부 저항(ESR)을 통해 수명을 측정해 일정 이하가 되는 경우에 운전자에게 알람해 주도록 제어하는 전자 제어부(ECU)를 포함하는 회생 제동 에너지 충전용 전력 변환 시스템이 제공된다.
또한, 상기 콘덴서의 수명이 다 되었음을 알람해 주는 알람부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 전자 제어부(ECU)는 상기 콘덴서의 내부 저항(ESR)에 대해, 상기 콘덴서의 방전 전류(I)와 방전 시간(t), 방전 초기 전압(Vc(t0)), 최종 방전 전압(Vc(t))을 이용하여 산출하게 된다.
또한, 상기 차량의 주행 속도를 감지하기 위한 주행속도 감지부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 차량이 주행하다가 제동이 온(ON) 되어 주행 속도가 감속되는 경우에, 상기 교류 발전기에서 발생된 회생 제동 에너지가 상기 콘덴서에 충전하게 될 때 충전 전압이 상승하게 된다.
또한, 상기 차량의 제동이 오프(OFF)되고 주행 속도가 가속되는 경우에, 상기 콘덴서에 충전된 전력이 상기 배터리에 정전류(Constant Current)로 충전되면서 상기 콘덴서의 전압이 하강하게 된다.
그리고, 상기 전자 제어부(ECU)는, 상기 차량의 가속과 감속이 일정 횟수 이상으로 빈번하게 일어나는 경우에, 일정 기준 이상으로 높은 전류로 충전되도록 제어하고, 상기 차량의 가속과 감속이 일정 횟수 이하로 일어나는 경우에는 일정 기준 이하로 낮은 전류로 충전되도록 제어하게 된다.
한편, 전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 배터리, 제동 감지부, 발전기(Alternator), 콘덴서, 전압 측정부, 충전 모듈부, 주행속도 감지부, 알람부 및 전자 제어부(ECU)를 포함하는 전력 변환 시스템의 콘덴서 수명 측정 방법으로서, (a) 상기 제동 감지부가 차량의 제동(Brake) 상태를 감지하는 단계; (b) 상기 발전기가 상기 차량의 제동 온(ON) 시에 여자전류를 통해 회생 제동 에너지를 발생시키는 단계; (c) 상기 콘덴서가 상기 발전기에서 발생된 회생 제동 에너지를 충전하는 단계; (d) 상기 충전 모듈부가 상기 차량의 제동 오프(OFF) 시에 상기 콘덴서에 충전되어 있는 전력을 상기 배터리에 정전류(Constant Current)로 충전시키는 단계; (e) 상기 전압 측정부가 상기 콘덴서의 전압과 상기 배터리의 전압을 측정하는 단계; 및 (f) 전자 제어부(ECU)가 상기 콘덴서의 전압과 상기 콘덴서의 내부 저항(ESR)을 통해 수명을 측정해 일정 이하가 되는 경우에 운전자에게 알람해 주도록 제어하는 단계를 포함하는 전력 변환 시스템의 콘덴서 수명 측정 방법이 제공된다.
또한, 상기 (f) 단계는, 상기 알람부가 상기 전자 제어부(ECU)의 제어에 따라 상기 콘덴서의 수명이 일정 이하가 되었음을 운전자에게 알람해 주게 된다.
또한, 상기 (f) 단계는, 상기 전자 제어부(ECU)가 상기 콘덴서의 내부 저항(ESR)에 대해, 상기 콘덴서의 방전 전류(I)와 방전 시간(t), 방전 초기 전압(Vc(t0)), 최종 방전 전압(Vc(t))을 이용하여 산출하게 된다.
또한, (g) 상기 주행속도 감지부가 상기 차량의 주행 속도를 감지하는 단계; 및 (h) 상기 전자 제어부(ECU)가 상기 차량의 주행 속도에 따른 가속 또는 감속이 일어나는 빈도 횟수에 따라 운전 패턴을 인식하여 충전 전류를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 (h) 단계에서, 상기 차량이 주행하다가 제동이 온(ON) 되어 주행 속도가 감속되는 경우에, 상기 발전기에서 발생된 회생 제동 에너지가 상기 콘덴서에 충전하게 될 때 충전 전압이 상승하게 된다.
또한, 상기 (h) 단계에서, 상기 차량의 제동이 오프(OFF)되고 주행 속도가 가속되는 경우에, 상기 콘덴서에 충전된 전력이 상기 배터리에 정전류(Constant Current)로 충전되면서 상기 콘덴서의 전압이 하강하게 된다.
그리고, 상기 (h) 단계에서 상기 전자 제어부(ECU)는, 상기 차량의 가속과 감속이 일정 횟수 이상으로 빈번하게 일어나는 경우에, 일정 기준 이상으로 높은 전류로 충전되도록 제어하고, 상기 차량의 가속과 감속이 일정 횟수 이하로 일어나는 경우에는 일정 기준 이하로 낮은 전류로 충전되도록 제어하게 된다.
본 발명에 의하면, 콘덴서의 충방전 빈도와 전압 기울기를 측정하여 운전자 운전패턴에 따른 배터리 충전 전류를 최적화 할 수 있다.
즉, 주행 속도에 따른 가속과 감속이 빈번한 운전 패턴에서는 높은 충전 전류를 채택하고, 가감속이 적은 운전 패턴에서는 비교적 낮은 충전 전류를 채택함으로써 동일한 효율을 유지하면서 콘덴서와 배터리의 수명을 연장할 수 있다.
또한, 회생 제동 에너지 충전용 콘덴서의 내부 저항(ESR)을 통해 콘덴서의 수명 정도를 산출하여 운전자에게 고장 알람을 사전에 알려줌으로써 운전자의 안전을 도모할 수 있다.
그리고, 운전자의 운전 패턴에 따른 최적화 된 콘덴서, 배터리 충방전 알고리즘을 통한 콘덴서 및 차량용 배터리의 수명 연장이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 회생 제동 에너지 충전용 전력 변환 시스템의 전반적인 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 시스템의 콘덴서 수명 측정 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 주행에 따른 콘덴서 전압 그래프를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배터리의 충방전 전압 그래프를 나타낸 도면이다.
도 5는 콘덴서 모듈이 사용된 전력 변환 장치를 적용한 차량의 한 예를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 시스템의 콘덴서 수명 측정 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 주행에 따른 콘덴서 전압 그래프를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배터리의 충방전 전압 그래프를 나타낸 도면이다.
도 5는 콘덴서 모듈이 사용된 전력 변환 장치를 적용한 차량의 한 예를 나타낸 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 특정한 실시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에 따른 회생 제동 에너지 충전용 전력 변환 시스템 및 그것의 콘덴서 수명 측정 방법의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 첨부도면을 참조하여 설명함에 있어 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 회생 제동 에너지 충전용 전력 변환 시스템의 전반적인 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 회생 제동 에너지 충전용 전력 변환 시스템(100)은, 발전기(Alternator)(110), 콘덴서(120), 충전 모듈부(130), 배터리(140), 전압 측정부(150), 주행속도 감지부(160), 제동 감지부(170), 전자 제어부(ECU)(180) 및 알람(Alarm)부(190)를 포함한다.
발전기(110)는 차량의 제동 온(ON) 시에 여자전류를 통해 회생 제동 에너지를 발생시킨다.
콘덴서(120)는 발전기(110)에서 발생된 회생 제동 에너지를 축전한다.
충전 모듈부(130)는 차량의 제동 오프(OFF) 시에 콘덴서(120)에 충전되어 있는 전력을 배터리(140)에 정전류(Constant Current)로 충전시키게 된다.
배터리(140)는 충전과 방전이 모두 가능하여, 차량에 전원을 공급하거나, 콘덴서(120)로부터 인가된 전력을 충전한다.
전압 측정부(150)는 콘덴서(120)의 전압과 배터리(140)의 전압을 측정한다.
주행속도 감지부(160)는 차량의 주행 속도를 감지한다.
제동 감지부(170)는 운전자가 브레이크(Brake)를 밟게 됨에 따라 차량의 제동(Brake) 상태를 감지하게 된다.
전자 제어부(ECU)(180)는 콘덴서(150)의 전압과 내부 저항(ESR)을 통해 수명을 측정해 일정 이하가 되는 경우에 운전자에게 알람해 주도록 제어하게 된다.
알람부(190)는 콘덴서의 수명이 다 되었음을 화면 또는 음향으로 알람해 주게 된다.
또한, 차량이 주행하다가 제동이 온(ON) 되어 주행 속도가 감속되는 경우에, 발전기에서 발생된 회생 제동 에너지가 콘덴서에 충전하게 될 때 충전 전압이 상승하게 된다.
또한, 차량의 제동이 오프(OFF)되고 주행 속도가 가속되는 경우에, 콘덴서에 충전된 전력이 상기 배터리에 정전류(Constant Current)로 충전되면서 콘덴서의 전압이 하강하게 된다.
또한, 전자 제어부(ECU)(180)는 콘덴서의 내부 저항(ESR)에 대해, 상기 콘덴서의 방전 전류(I)와 방전 시간(t), 방전 초기 전압(Vc(t0)), 최종 방전 전압(Vc(t))을 이용하여 산출하게 된다.
그리고, 전자 제어부(ECU)(180)는, 상기 차량의 가속과 감속이 일정 횟수 이상으로 빈번하게 일어나는 경우에, 일정 기준 이상으로 높은 전류로 충전되도록 제어하고, 상기 차량의 가속과 감속이 일정 횟수 이하로 일어나는 경우에는 일정 기준 이하로 낮은 전류로 충전되도록 제어하게 된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 시스템의 콘덴서 수명 측정 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도를 나타낸 도면이다.
본 발명의 실시예에서는 차량이 주행하는 중에 있는 것으로 설명한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 시스템(100)은, 제동 감지부(170)가 차량의 제동(Brake) 상태를 감지한다(S210).
이때, 운전자는 속도를 줄일 때는 브레이크(Brake)를 온(ON)시켜 감속하게 되고, 속도를 높이고자 할 경우에는 브레이크를 오프(OFF)시키고 가속 페달을 밟아 가속하게 된다. 따라서, 제동 감지부(170)는 브레이크의 온(ON) 또는 오프(OFF) 상태를 감지하게 된다.
이어, 발전기(110)가 차량의 제동 온(ON) 시에 여자전류를 통해 회생 제동 에너지를 발생시킨다(S220).
즉, 운전자가 차량의 주행 시 감속하고자 하는 경우에 브레이크를 밟아 제동 상태를 온(ON) 시키게 됨에 따라, 발전기(110)에서는 차량이 주행함에 따른 여자전류가 발생하게 되는 것이다.
이어, 콘덴서(120)가 발전기(110)에서 발생된 회생 제동 에너지를 충전한다(S230).
즉, 발전기(110)에서 발생된 여자전류의 일부는 제동을 돕고 나머지 일부는 콘덴서(120)에 저장되는 것이다.
운전자는 제동으로 주행하는 차량의 속도를 줄이다가 다시 높이고자 하는 경우에 브레이크를 통해 제동을 오프(OFF) 시키고 가속 페달을 밟게 된다.
이어, 충전 모듈부(130)가 차량의 제동 오프(OFF) 시에 콘덴서(120)에 충전되어 있는 전력을 배터리(140)에 정전류(Constant Current)로 충전시키게 된다(S240).
한편, 브레이크를 통한 제동이 일어나지 않을 경우에 충전 모듈부(130)가 콘덴서(120)에 저장된 전력을 배터리(140)에 정전류로 충전하게 될 때, 전압 측정부(150)를 통해 콘덴서(120)의 전압과 배터리(140)의 전압을 측정할 수 있다.
이어, 전압 측정부(150)가 콘덴서(120)의 전압과 배터리(140)의 전압을 측정한다(S250).
이때, 전압 측정부(150)는 콘덴서(120)의 전압(Vc(t))에 대해 다음 수학식 1에 따라 측정할 수 있다.
여기서, Resr은 등가직렬저항(Equivalent Series Resistance)을 나타낸다.
이때, I(t)는 정전류이므로 콘덴서(120)의 전압(Vc(t))에 대해 다음 수학식 2에 따라 측정할 수 있다.
여기서, I는 콘덴서의 방전 전류를 나타내고, t는 방전 시간, Vc(t0)는 방전 초기 전압, Vc(t)는 최종 방전 전압을 나타낸다.
이어, 전자 제어부(ECU)가 콘덴서의 전압과 콘덴서의 내부 저항(ESR)을 통해 수명을 측정해 일정 이하가 되는 경우에 운전자에게 알람해 주도록 제어하게 된다(S260).
즉, 전자 제어부(ECU)는 콘덴서(120)의 내부 저항(ESR)을 통해 콘덴서의 수명을 측정하게 되는데, 콘덴서의 내부 저항(ESR)에 대해, 다음 수학식 3과 같이 콘덴서의 방전 전류(I)와 방전 시간(t), 방전 초기 전압(Vc(t0)), 최종 방전 전압(Vc(t))을 이용하여 산출하게 된다.
여기서, Vc(t)는 콘덴서의 최종 방전 전압을 나타내는 것으로서, 브레이크 온(ON) 시점의 전압이다.
전자 제어부(ECU)는 콘덴서(120)의 수명을 측정해 내부 저항의 값이 일정 이하가 되는 경우에 운전자에게 알람해 주도록 제어하는 것이다.
따라서, 알람부(190)가 전자 제어부(ECU)의 제어에 따라 콘덴서(120)의 수명이 일정 이하가 되었음을 운전자에게 알람해 주게 된다(S270).
이때, 알람부(190)는 운전자가 인지할 수 있도록 화면으로 디스플레이하거나, 콘덴서의 수명이 다 되었음을 음향으로 알람해 주게 된다.
한편, 운전자는 자신의 운전 성향에 따라 도 3에 도시된 바와 같이 주행 속도를 빈번하게 바꿔가면서 운행할 수 있다. 이때, 주행속도 감지부(160)를 통해 가속과 감속을 감지하여 전자 제어부(ECU)에 전달해 줌으로써 ECU가 운전 패턴을 인식할 수 있게 된다.
이어, 주행속도 감지부(160)가 차량의 주행 속도를 감지하게 된다(S280).
즉, 주행속도 감지부(160)는 도 3에 도시된 바와 같이 차량이 감속과 가속을 반복할 때마다 주행속도를 감지한다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 주행에 따른 콘덴서 전압 그래프를 나타낸 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이 차량이 주행하다가 제동이 온(ON) 되어 주행 속도가 감속되는 경우에, 발전기(110)에서 발생된 회생 제동 에너지가 콘덴서(120)에 충전하게 될 때 충전 전압이 상승하게 된다.
그러나, 차량의 제동이 오프(OFF)되고 주행 속도가 가속되는 경우에, 콘덴서(120)에 충전된 전력이 배터리(140)에 정전류(Constant Current)로 충전되면서 콘덴서(120)의 전압이 하강하게 된다.
이어, 전자 제어부(ECU)가 차량의 주행 속도에 따른 가속 또는 감속이 일어나는 빈도 횟수에 따라 운전 패턴을 인식하여 충전 전류를 제어한다(S290).
즉, 전자 제어부(ECU)는, 도 3에 도시된 바와 같이 차량의 가속과 감속이 일정 횟수 이상으로 빈번하게 일어나는 경우에, 일정 기준 이상으로 높은 전류로 충전되도록 제어하고, 차량의 가속과 감속이 일정 횟수 이하로 일어나는 경우에는 일정 기준 이하로 낮은 전류로 충전되도록 제어하게 되는 것이다.
그런데, 배터리(140)의 전압은 도 4에 도시된 바와 같이 충방전 전류에 비례하여 증감되지 않는다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배터리의 충방전 전압 그래프를 나타낸 도면이다. 도 4에 따른 배터리의 정전류 충방전 조건만으로는 정확한 수명을 측정할 수 없다. 따라서, 전압대별 기대 전압 상승률을 테이블화하여 비교함으로써 정상값에서 유의미한 수준으로 차이를 보일 경우에 배터리의 교환 및 점검 신호로 사용할 수 있다.
도 5는 콘덴서 모듈이 사용된 전력 변환 장치를 적용한 차량의 한 예를 나타낸 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 콘덴서 모듈이 사용된 전력 변환 장치를 적용한 차량은, 전륜(FRW, FLW), 후륜(RPW, RLW), 전륜 차축(FDS), 후륜 차축(RDS), 디퍼런셜 기어(DEF), 변속기(T/M), 엔진(ENG), 전동기(MG1, MG2), 전력변환장치(INV), 배터리(BAT), 엔진제어장치(ECU), 변속기제어장치(TCU), 전동기제어장치(MCU), 배터리제어장치(BCU), 차량 탑재용 로컬 에어리어 네트워크(LAN)를 포함한다.
본 실시예에서 구동력은, 엔진(ENG)과 2개의 전동기(MG1, MG2)로 발생하여 변속기(T/M), 디퍼런셜 기어(DEF), 전륜차축(FDS)을 통하여 전륜(FRW, FLW)에 전해 진다.
변속기(T/M)는 복수의 기어로 구성되어 속도 등의 운전상태에 따라 기어비를 바꿀 수 있는 장치이다.
디퍼런셜 기어(DEF)는 커브 등에서 좌우의 차륜(FRW, FLW)에 속도차가 있을 때에 적절하게 좌우로 동력을 분배하는 장치이다.
엔진(ENG)은 인젝터, 슬롯밸브, 점화장치, 흡배기밸브(모두 도시생략) 등의 복수의 컴포넌트로 구성된다. 인젝터는 엔진(ENG)의 기통 내에 분사하는 연료를 제어하는 연료분사밸브이다. 슬롯밸브는 엔진(ENG)의 기통 내에 공급되는 공기의 양을 제어하는 스로틀밸브이다. 점화장치는 엔진(ENG)의 기통 내의 혼합기를 연소시키는 불의 근원이다. 흡배기밸브는 엔진(ENG)의 기통의 흡기 및 배기에 설치된 개폐밸브이다.
전동기(MG1, MG2)는 3상 교류 동기식, 즉 영구자석 회전전기이다.
또한 전동기(MG1, MG2)로서는 3상 교류 유도식 회전전기나 릴럭턴스식 회전전기 등의 것을 사용하여도 좋다.
전동기(MG1, MG2)는 회전하는 회전자와, 회전자계를 발생하는 고정자로 이루어진다. 회전자는 철심의 내부에 복수의 영구자석을 매립한 것, 또는 철심의 외주 표면에 복수의 영구자석을 배치하여 구성한다. 고정자는 전자강판에 동선을 권회하여 구성한다. 고정자의 권선에 3상 교류전류를 흘림으로써 회전자계가 발생하고, 회전자에 생기는 토오크에 의하여 전동기(MG1, MG2)를 회전시킬 수 있다.
전력변환장치(INV)는, 파워 반도체의 스위칭에 의하여 전동기(MG1, MG2)의 전력을 제어하는 것이다. 간단하게 말하면 고압 배터리(BAT)의 직류원을, 전동기(MG1, MG2)에 연결하거나(온), 끊거나(오프)함으로써 전동기(MG1, MG2)를 제어한다. 본 실시예에서는 전동기(MG1, MG2)가 3상 교류모터이기 때문에 스위칭(온, 오프)의 시간 폭의 소밀(疏密; 성김과 빽빽함)에 의하여 3상 교류전압을 발생시켜 전동기(MG1, MG2)의 구동력을 제어한다.
전력변환장치(INV)는 스위칭시에 순간적으로 전력을 공급하는 콘덴서 모듈(CM), 스위칭하는 파워 모듈(PMU), 파워 모듈의 스위칭을 구동회로장치(DCU) 및 스위칭의 시간 폭의 소밀을 정하는 전동기제어장치(MCU)로 구성한다.
전동기제어장치(MCU)는, 종합제어장치(GCU)로부터의 회전수지령(n*), 토오크지령값(τ*)을 전동기(MG1, MG2)로 실현하기 위하여 파워 모듈(PMU)의 스위칭을 결정한다. 이 때문에 연산하기 위한 마이크로컴퓨터, 데이터맵 등의 메모리를 탑재하고 있다.
구동회로장치(DCU)는 전동기제어장치(MCU)에서 결정된 파워 모듈(PMU)의 스위칭에 따라 파워 모듈(PMU)을 구동한다. 이 때문에 파워 모듈(PMU)을 구동에 필요한 수A, 수십V의 구동능력을 가지는 회로를 탑재한다. 또 고전위측의 파워반도체소자를 구동하기 위하여 제어신호를 절연 분리하는 회로를 탑재하고 있다.
배터리(BAT)는 직류전원으로 니켈 수소전지나, 리튬 이온전지 등의 전력밀도가 높은 2차 전지로 구성한다. 전력 변환장치(INV)를 거쳐 전동기(MG1, MG2)에 전력을 공급하고, 또는 반대로 전동기(MG1, MG2)의 발전력을 전력 변환장치(INV)에서 변환하여 저장한다.
변속기(T/M), 엔진(ENG), 전력 변환장치(INV), 배터리(BAT)는, 각각 변속기제어장치(TCU), 엔진제어장치(ECU), 전동기제어장치(MCU), 배터리제어장치(BCU)에서 제어한다. 이들 제어장치는 차량 탑재용 로컬 에어리어 네트워크(LAN)에 의하여 종합제어장치(GCU)에 접속하고, 종합제어장치로부터의 지령값에 의거하여 통괄함과 동시에, 양 방향의 통신도 가능하다. 각 제어장치는 종합제어장치(GCU)의 지령신호(지령값), 각종 센서, 다른 제어장치의 출력신호(각종 파라미터값), 미리 기억장치에 기억되어 있는 데이터나 맵 등을 기초로 기기를 제어한다.
예를 들면 종합제어장치(GCU)는, 운전자의 가속요구에 의거한 엑셀러레이터의 밟음량에 따라 차량의 필요 토오크값을 산출하고, 이 필요 토오크값을 엔진(ENG)의 운전효율이 좋아지도록 엔진(ENG)측의 출력 토오크값과 제 1 전동기(MG1)측의 출력 토오크값으로 분배한다. 분배된 엔진(ENG)측의 출력 토오크값은 엔진 토오크지령신호로서 엔진제어장치(ECU)에 분배된 제 1 전동기(MG1)측의 출력 토오크값은 모터 토오크지령신호로서 전동기제어장치(MCU)에 전달되어, 각각 엔진(ENG), 전동기(MG1)를 제어한다.
먼저, 차량의 발진시나 저속 주행시에서는 주로 전동기(MG1)를 전동기로서 동작시켜 전동기(MG1)에서 발생한 회전 구동력을, 변속기(T/M) 및 디퍼런셜 기어(DEF)를 거쳐 전륜 차축(FDS)에 전달한다. 이에 의하여 전륜 차축(FDS)이 전동기(MG1)의 회전 구동력에 의하여 회전 구동되어 전륜(FRW, FLW)이 회전 구동하여 차량이 주행하는 이때 전동기(MG1)에는 배터리(BAT)로부터의 출력전력(직류전력)이 전력 변환장치(INV)에 의하여 3상 교류전력으로 변환하여 공급한다.
다음에 차량의 통상 주행시(중속, 고속 주행시)에서는 엔진(ENG)과 전동기(MG1)를 병용하여 엔진(ENG)에서 발생한 회전 구동력과, 전동기(MG1)에서 발생한 회전구동력을 변속기(T/M) 및 디퍼런셜 기어(DFF)를 거쳐 전륜 차축(FDS)에 전달한다. 이에 의하여 전륜 차축(FDS)이 엔진(ENG)과 전동기(MG1)의 회전 구동력에 의하여 회전 구동되어 전륜(FRW,FLW)이 회전 구동하여 차량이 주행한다. 또 엔진(ENG)에서 발생한 회전 구동력의 일부는 전동기(MG2)에 공급한다. 이
동력의 분배에 의하여 전동기(MG2)는 엔진(ENG)에서 발생한 회전 구동력의 일부에 의하여 회전구동되고, 발전기로서 동작하여 발전한다. 전동기(MG2)에 의하여 발전된 3상 교류전력은 전력 변환장치(INV)에 공급되어 일단 직류전력으로 정류된 후, 다시 3상 교류전력으로 변환하여 전동기(MG1)에 공급한다. 이에 의하여 전동기(MG11)는 회전 구동력을 발생한다.
다음에 차량의 가속시, 특히 엔진(ENG)에 공급되는 공기량을 제어하는 스로틀밸브의 개방도가 완전개방이 되는 급가속시(예를 들면 급구배 고개길을 오를 때에 엑셀러레이터의 밟음량이 클 때)에서는 상기한 통상 주행시의 동작에 더하여 배터리(BAT)로부터의 출력전력을 전력 변환장치(INV)에 의하여 3상 교류전력으로 변환하여 전동기(MG1)에 공급하고, 전동기(MG1)에 의하여 발생하는 회전 구동력을 증가한다.
다음에 차량의 감속·제동시에서는 전륜(FRW, FLW)의 회동에 의한 구동 차축 (DSF)의 회전 구동력을 디퍼런셜 기어(DFF), 변속기(T/M)를 거쳐 전동기(MG1)에 공급하고, 전동기(MG1)를 발전기로서 동작시켜 발전시키는 발전에 의하여 얻어진 3상 교류전력(회생 에너지)은, 전력 변환장치(INV)에 의하여 직류전력으로 정류되어 배터리(BAT)에 공급한다. 이것에 의하여 배터리(BAT)를 충전한다. 차량의 정지시는 기본적으로는 엔진(ENG) 및 전동기(MG1, MG2)의 구동은 정지하나, 배터리(BAT)의 잔량이 적은 경우에는 엔진(ENG)을 구동하여 전동기(MG2)를 발전기로서 동작시켜 얻어진 발전전력을 전력 변환장치(INV)를 거쳐 배터리(BAT)를 충전한다.
또한 MG1, MG2의 발전, 구동의 역할은 특별히 한정되지 않고 효율에 따라서는 상기와 반대의 역할로 동작한다.
전술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 콘덴서를 회생 제동 에너지 충전 장치로 사용한 차량의 전력 변환 장치에서 차량 운전자의 운전 패턴과 콘덴서의 수명을 예측할 수 있는 콘덴서의 충방전 전압 정보를 수집하여 콘덴서와 배터리의 수명을 측정하고 운전자의 운전 패턴을 감지하여 콘덴서와 배터리의 수명을 연장할 수 있도록 하는 회생 제동 에너지 충전용 전력 변환 시스템 및 그것의 콘덴서 수명 측정 방법을 실현할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명은 콘덴서를 회생 제동 에너지 충전 장치로 사용한 차량의 전력 변환 장치에서 차량 운전자의 운전 패턴과 콘덴서의 수명을 예측할 수 있는 콘덴서의 충방전 전압 정보를 수집하여 콘덴서와 배터리의 수명을 측정하고 운전자의 운전 패턴을 감지하여 콘덴서와 배터리의 수명을 연장할 수 있도록 하는 회생 제동 에너지 충전용 전력 변환 시스템 및 그것의 콘덴서 수명 측정 방법에 적용할 수 있다.
100 : 회생제동에너지충전용 전력변환시스템 110 : 발전기
120 : 콘덴서 130 : 충전 모듈부
140 : 배터리 150 : 전압 측정부
160 : 주행속도 감지부 170 : 제동 감지부
180 : ECU 190 : 알람부
120 : 콘덴서 130 : 충전 모듈부
140 : 배터리 150 : 전압 측정부
160 : 주행속도 감지부 170 : 제동 감지부
180 : ECU 190 : 알람부
Claims (14)
- 회생 제동 에너지 충전용 전력 변환 시스템으로서,
차량에 전원을 공급하거나 충전하는 배터리;
상기 차량의 제동(Brake) 상태를 감지하기 위한 제동 감지부;
상기 차량의 제동 온(ON) 시에 여자전류를 통해 회생 제동 에너지를 발생시키는 발전기(Alternator);
상기 발전기에서 발생된 회생 제동 에너지를 충전하는 콘덴서;
상기 콘덴서의 전압과 상기 배터리의 전압을 측정하기 위한 전압 측정부;
상기 차량의 제동 오프(OFF) 시에 상기 콘덴서에 충전되어 있는 전력을 상기 배터리에 정전류(Constant Current)로 충전시키는 충전 모듈부; 및
상기 콘덴서의 전압과 내부 저항(ESR)을 통해 수명을 측정해 일정 이하가 되는 경우에 운전자에게 알람해 주도록 제어하는 전자 제어부(ECU)를 포함하고,
상기 전자 제어부(ECU)는 상기 내부 저항(ESR)에 대해 다음의 수학식에 따라 산출하는, 회생 제동 에너지 충전용 전력 변환 시스템.
여기서, Resr은 상기 콘덴서의 내부 저항이고, I는 상기 콘덴서의 방전 전류이며, t는 방전 시간이며, Vc(t0)는 방전 초기 전압이며, Vc(t)는 최종 방전 전압이며, C는 상기 콘덴서의 캐패시턴스이다.
- 청구항 1에 있어서,
상기 콘덴서의 수명이 다 되었음을 알람해 주는 알람부;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회생 제동 에너지 충전용 전력 변환 시스템.
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 차량의 주행 속도를 감지하기 위한 주행속도 감지부;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회생 제동 에너지 충전용 전력 변환 시스템.
- 청구항 4에 있어서,
상기 차량이 주행하다가 제동이 온(ON) 되어 주행 속도가 감속되는 경우에, 상기 발전기에서 발생된 회생 제동 에너지가 상기 콘덴서에 충전하게 될 때 충전 전압이 상승하는 것을 특징으로 하는 회생 제동 에너지 충전용 전력 변환 시스템.
- 청구항 5에 있어서,
상기 차량의 제동이 오프(OFF)되고 주행 속도가 가속되는 경우에, 상기 콘덴서에 충전된 전력이 상기 배터리에 정전류(Constant Current)로 충전되면서 상기 콘덴서의 전압이 하강하는 것을 특징으로 하는 회생 제동 에너지 충전용 전력 변환 시스템.
- 청구항 4에 있어서,
상기 전자 제어부(ECU)는, 상기 차량의 가속과 감속이 일정 횟수 이상으로 빈번하게 일어나는 경우에, 일정 기준 이상으로 높은 전류로 충전되도록 제어하고, 상기 차량의 가속과 감속이 일정 횟수 이하로 일어나는 경우에는 일정 기준 이하로 낮은 전류로 충전되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 회생 제동 에너지 충전용 전력 변환 시스템.
- 배터리, 제동 감지부, 발전기(Alternator), 콘덴서, 전압 측정부, 충전 모듈부, 주행속도 감지부, 알람부 및 전자 제어부(ECU)를 포함하는 전력 변환 시스템의 콘덴서 수명 측정 방법으로서,
(a) 상기 제동 감지부가 차량의 제동(Brake) 상태를 감지하는 단계;
(b) 상기 발전기가 상기 차량의 제동 온(ON) 시에 여자전류를 통해 회생 제동 에너지를 발생시키는 단계;
(c) 상기 콘덴서가 상기 발전기에서 발생된 회생 제동 에너지를 충전하는 단계;
(d) 상기 충전 모듈부가 상기 차량의 제동 오프(OFF) 시에 상기 콘덴서에 충전되어 있는 전력을 상기 배터리에 정전류(Constant Current)로 충전시키는 단계;
(e) 상기 전압 측정부가 상기 콘덴서의 전압과 상기 배터리의 전압을 측정하는 단계; 및
(f) 전자 제어부(ECU)가 상기 콘덴서의 전압과 상기 콘덴서의 내부 저항(ESR)을 통해 수명을 측정해 일정 이하가 되는 경우에 운전자에게 알람해 주도록 제어하는 단계를 포함하고,
상기 (f) 단계에서 상기 전자 제어부(ECU)는 상기 내부 저항(ESR)에 대해 다음의 수학식에 따라 산출하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템의 콘덴서 수명 측정 방법.
여기서, Resr은 상기 콘덴서의 내부 저항이고, I는 상기 콘덴서의 방전 전류이며, t는 방전 시간이며, Vc(t0)는 방전 초기 전압이며, Vc(t)는 최종 방전 전압이며, C는 상기 콘덴서의 캐패시턴스이다.
- 청구항 8에 있어서,
상기 (f) 단계는, 상기 알람부가 상기 전자 제어부(ECU)의 제어에 따라 상기 콘덴서의 수명이 일정 이하가 되었음을 운전자에게 알람해 주는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템의 콘덴서 수명 측정 방법.
- 삭제
- 청구항 8에 있어서,
(g) 상기 주행속도 감지부가 상기 차량의 주행 속도를 감지하는 단계; 및
(h) 상기 전자 제어부(ECU)가 상기 차량의 주행 속도에 따른 가속 또는 감속이 일어나는 빈도 횟수에 따라 운전 패턴을 인식하여 충전 전류를 제어하는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템의 콘덴서 수명 측정 방법.
- 청구항 11에 있어서,
상기 (h) 단계에서, 상기 차량이 주행하다가 제동이 온(ON) 되어 주행 속도가 감속되는 경우에, 상기 발전기에서 발생된 회생 제동 에너지가 상기 콘덴서에 충전하게 될 때 충전 전압이 상승하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템의 콘덴서 수명 측정 방법.
- 청구항 12에 있어서,
상기 (h) 단계에서, 상기 차량의 제동이 오프(OFF)되고 주행 속도가 가속되는 경우에, 상기 콘덴서에 충전된 전력이 상기 배터리에 정전류(Constant Current)로 충전되면서 상기 콘덴서의 전압이 하강하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템의 콘덴서 수명 측정 방법.
- 청구항 11에 있어서,
상기 (h) 단계에서 상기 전자 제어부(ECU)는, 상기 차량의 가속과 감속이 일정 횟수 이상으로 빈번하게 일어나는 경우에, 일정 기준 이상으로 높은 전류로 충전되도록 제어하고, 상기 차량의 가속과 감속이 일정 횟수 이하로 일어나는 경우에는 일정 기준 이하로 낮은 전류로 충전되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템의 콘덴서 수명 측정 방법.
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