KR100900281B1 - Hybrid energy storage devices and processing method thereof - Google Patents

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정진범
송현식
이백행
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자동차부품연구원
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Abstract

본 발명은 하이브리드 차량(HEV: Hybrid Electric Vehicle)이나 전기차(EV)등에서 사용되는 복합형 에너지 저장장치의 구조 및 그 복합형 에너지 저장장치의 운용방법에 관한 것으로서, 이러한 본 발명은, 발전기에 연결되어 발생한 전기 에너지를 저장하기 위한 울트라 커패시터와; 상기 울트라 커패시터와 함께 전기 에너지를 저장하기 위한 배터리와; 상기 울트라 커패시터와 배터리의 잔존용량을 검출하고, 그 검출한 잔존용량 및 회생 제동 여부에 따라 스위칭 제어신호를 발생하는 에너지 관리 시스템과; 상기 에너지 관리 시스템으로부터 발생한 스위칭 제어신호에 대응하여 회생 제동시 상기 울트라 커패시터의 방전 에너지를 상기 배터리에 충전하는 단방향 전력변환기와; 상기 에너지 관리 시스템으로부터 발생한 스위칭 제어신호에 대응하여 회생 제동 또는 배터리의 잔존용량이 일정치 이상인 경우 상기 배터리와 전원선을 분리시키는 스위치로 복합형 에너지 저장 장치를 구현하게 된다.The present invention relates to a structure of a hybrid energy storage device used in a hybrid electric vehicle (HEV) or an electric vehicle (EV), and a method of operating the hybrid energy storage device. The present invention is connected to a generator. An ultracapacitor for storing generated electrical energy; A battery for storing electrical energy with the ultra capacitor; An energy management system that detects remaining capacity of the ultracapacitor and battery and generates a switching control signal according to the detected remaining capacity and regenerative braking; A unidirectional power converter configured to charge the battery with the discharge energy of the ultracapacitor during regenerative braking in response to a switching control signal generated from the energy management system; In response to the switching control signal generated from the energy management system, when the regenerative braking or the remaining capacity of the battery is greater than or equal to a predetermined value, a complex energy storage device is implemented as a switch that separates the battery from the power line.

복합형 에너지 저장장치, 울트라 커패시터, 배터리, 단방향 전력변환기 Hybrid Energy Storage, Ultra Capacitor, Battery, Unidirectional Power Converter

Description

복합형 에너지 저장장치 및 그 운용방법{Hybrid energy storage devices and processing method thereof}Hybrid energy storage devices and processing method

본 발명은 하이브리드 차량(HEV: Hybrid Electric Vehicle)이나 전기차(EV)등에서 사용되는 복합형 에너지 저장장치의 구조 및 그 복합형 에너지 저장장치의 에너지 저장을 운용하는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a structure of a hybrid energy storage device used in a hybrid electric vehicle (HEV), an electric vehicle (EV), and the like, and a technology for operating energy storage of the hybrid energy storage device.

일반적으로, 하이브리드 차량(HEV, Hybrid Electric Vehicle)이나 전기차(EV)등에서 사용되는 복합형 에너지 저장장치는 도 1에 도시한 바와 같이, 슈퍼커패시터 혹은 울트라 커패시터라 칭하는 전기화학 콘덴서(20)와 납산전지 혹은 Ni-MH, Li-ion, Li-PB등의 배터리(30)를 병렬로 연결하여 사용하는 구조를 갖는다.In general, a hybrid energy storage device used in a hybrid electric vehicle (HEV), an electric vehicle (EV), or the like is an electrochemical capacitor 20 and a lead-acid battery, referred to as a supercapacitor or ultracapacitor, as shown in FIG. 1. Or it has a structure to connect and use the battery 30, such as Ni-MH, Li-ion, Li-PB in parallel.

도 1에서 미설명 부호 10은 에너지를 발생하는 발전기 등의 에너지 발생원을 나타낸다.In FIG. 1, reference numeral 10 denotes an energy generating source such as a generator for generating energy.

이러한 병렬 구성은 배터리만을 사용한 경우보다 출력 및 수명 성능이 개선되나, 회생제동과 같이 짧은 순간 동안 큰 에너지가 주어지는 상황에서는 여전히 배터리에 대전류의 충전 전류가 유입되는 형태를 지니게 되어 배터리 수명 저하가 발생하게 된다.This parallel configuration improves the output and lifespan performance compared to the battery alone, but in the case of a large amount of energy being supplied for a short time such as regenerative braking, a large current of charging current is introduced into the battery, resulting in battery life degradation. do.

또한, 효율이 상대적으로 낮은 배터리가 상시 연결됨으로 인해 복합형 에너지 저장장치를 구성하더라도 회생 에너지의 흡수율이 낮아지는 요인이 된다. 이는 차량 제동시 발생 가능한 에너지를 최대한 흡수하여, 차량시스템 전체의 효율을 개선하고자 하는 회생제동의 목적을 달성하기에는 부족한 부분이 있다.In addition, since a relatively low efficiency battery is connected at all times, even if a composite energy storage device is configured, the absorption rate of regenerative energy is lowered. This is enough to absorb the energy possible when braking the vehicle, there is a lack in achieving the purpose of regenerative braking to improve the efficiency of the entire vehicle system.

따라서 복합형 에너지 저장장치를 구성함에 있어서 성능개선을 위해서는 배터리와 울트라 커패시터의 단순 병렬구조를 개선할 필요가 있으며, 이를 위해 양방향 전력변환기(Bi-directional DC/DC Converter)와 스위치가 사용되는 형태의 개선방안이 종래 몇몇 제안되었으나, 추가되는 양방향 전력변환기의 구성 부품 수가 많아 비용이 상승하는 단점을 유발하였다.Therefore, it is necessary to improve the simple parallel structure of the battery and the ultracapacitor to improve the performance in constructing a complex energy storage device. For this purpose, a bi-directional DC / DC converter and a switch are used. Although some improvement methods have been proposed in the past, the number of components of the bidirectional power converter added increases the cost.

또한, 양방향 전력변환기를 이용한 에너지의 전달은 전달 가능한 에너지의 양이 제한적인 한계성을 지닌다. 이는 양방향 전력변환기를 갖는 복합형 에너지 저장장치가 큰 에너지 충/방전이 순간적으로 필요한 상황에는 대처하기 어려운 구조이기 때문이다. 게다가 양방향 전력변환기의 운용 알고리즘을 설계하는 것이 복잡하여 안전성이 요구되는 차량에서는 오히려 적용 가능성이 낮아지게 된다.In addition, the transfer of energy using the bi-directional power converter has a limit of the amount of energy that can be delivered. This is because a complex energy storage device having a bidirectional power converter is difficult to cope with a situation in which a large energy charge / discharge is momentarily required. In addition, the design of the bidirectional power converter's operating algorithm is complex, making it less applicable in vehicles requiring safety.

그러므로 더욱 단순하면서 차량 적용성이 개선된 복합형 에너지 저장장치의 구조 및 적절한 운용 알고리즘이 요구된다.Therefore, there is a need for a structure of a complex energy storage device with simpler and improved vehicle applicability and an appropriate operation algorithm.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래 복합형 에너지 저장장치의 구조에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서,Accordingly, the present invention has been proposed to solve various problems occurring in the structure of the conventional hybrid energy storage device as described above.

본 발명의 과제는 울트라 커패시터와 배터리를 병용 사용하는 복합형 에너지 저장장치에서, 회생제동과 같은 대전류 충전 상황이 발생하는 경우, 배터리를 전원 선과 분리시킴으로써 배터리의 수명 저하 요인을 제거하고, 출력 및 충/방전 효율 특성이 우수한 울트라 커패시터가 대전류의 충전 에너지를 모두 흡수하도록 함으로써 복합형 에너지 저장장치의 에너지 효율을 개선하기 위한 복합형 에너지 저장장치 및 그 운용방법을 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to remove the deterioration factor of the battery by separating the battery from the power line when a large current charging situation such as regenerative braking occurs in a hybrid energy storage device using an ultra capacitor and a battery together, and output and charge The present invention provides a hybrid energy storage device and a method of operating the same to improve energy efficiency of a hybrid energy storage device by allowing an ultracapacitor having excellent discharge efficiency characteristics to absorb all of a large current charging energy.

본 발명의 다른 과제는 발생 가능한 회생 에너지를 울트라 커패시터가 모두 흡수할 수 있도록, 단방향 전력변환기를 이용하여 미리 울트라 커패시터의 잔존용량(SOC: State Of Charge)을 적당한 수준까지 낮춰놓음으로써 에너지 회생률을 최대화시켜 차량의 연비를 개선하고자 한 복합형 에너지 저장장치 및 그 운용방법을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to reduce the energy regeneration rate by lowering the state of charge (SOC) of the ultracapacitor to an appropriate level in advance by using a unidirectional power converter so that the ultracapacitor can absorb all of the possible regenerative energy. The present invention provides a hybrid energy storage device and a method of operating the same to maximize fuel efficiency of a vehicle.

본 발명의 또 다른 과제는 종래 양방향 전력변환기를 이용하여 에너지의 흐름을 제어하던 복합형 에너지 저장장치가 갖는 에너지 전달의 한계를 극복하기 위해서 스위치와 단방향 전력변환기를 포함시켜 복합형 에너지 저장장치를 구현하고, 이를 최적의 알고리즘으로 제어함으로써 차량 적용성을 높이도록 한 복합형 에너지 저장장치 및 그 운용방법을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention implements a complex energy storage device including a switch and a unidirectional power converter in order to overcome the limitations of energy transfer of the hybrid energy storage device that controls the flow of energy using a conventional bidirectional power converter. In addition, the present invention provides a hybrid energy storage device and a method of operating the same, which enhance vehicle applicability by controlling this by an optimal algorithm.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 "복합형 에너지 저장장치"는,"Complex energy storage device" according to the present invention for solving the above problems,

차량 내의 발전기에 연결되어 발생한 전기 에너지를 저장하기 위한 울트라 커패시터와;An ultracapacitor for storing electrical energy generated by being connected to a generator in a vehicle;

상기 울트라 커패시터와 함께 전기 에너지를 저장하기 위한 배터리와;A battery for storing electrical energy with the ultra capacitor;

상기 울트라 커패시터와 배터리의 잔존용량을 검출하고, 그 검출한 잔존용량 및 회생 제동 여부에 따라 스위칭 제어신호를 발생하는 에너지 관리 시스템과;An energy management system that detects remaining capacity of the ultracapacitor and battery and generates a switching control signal according to the detected remaining capacity and regenerative braking;

상기 에너지 관리 시스템으로부터 발생한 스위칭 제어신호에 대응하여 회생 제동시 상기 울트라 커패시터의 방전 에너지를 상기 배터리에 충전하는 단방향 전력변환기와;A unidirectional power converter configured to charge the battery with the discharge energy of the ultracapacitor during regenerative braking in response to a switching control signal generated from the energy management system;

상기 에너지 관리 시스템으로부터 발생한 스위칭 제어신호에 대응하여 회생 제동시 상기 배터리와 전원선을 분리시키는 스위치를 포함한다.And a switch separating the battery and the power line during regenerative braking in response to a switching control signal generated from the energy management system.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 "복합형 에너지 저장장치의 운용방법"은,According to the present invention for solving the above problems, the "method of operating a hybrid energy storage device",

차량의 시동시 복합형 에너지 저장장치를 이루는 울트라 커패시터와 배터리의 잔존용량을 검출하는 제1단계와;Detecting a remaining capacity of an ultracapacitor and a battery forming a hybrid energy storage device when the vehicle starts up;

상기 울트라 커패시터의 잔존용량에 따라 상기 배터리와 전원선 간의 연결을 제어하는 제2단계와;Controlling a connection between the battery and a power line in accordance with the remaining capacity of the ultracapacitor;

상기 배터리와 전원선 간의 연결 제어 후, 배터리의 잔존용량에 따라 상기 배터리와 전원선 간의 연결을 제어하는 제3단계와;A third step of controlling the connection between the battery and the power line according to the remaining capacity of the battery after controlling the connection between the battery and the power line;

통신을 통해 차량 주 제어기로부터 전송된 회생 제동 신호를 수신하여 분석하고, 그 분석 결과 회생 제동이 발생할 확률이 높을 경우 배터리와 전원선 간의 연결을 제어하는 제4단계와;Receiving and analyzing the regenerative braking signal transmitted from the vehicle main controller through communication, and controlling the connection between the battery and the power line if the regenerative braking is high as a result of the analysis;

상기 회생 제동이 발생할 확률이 높을 경우 단방향 전력 변환기를 구동시켜 울트라 커패시터의 잔존용량을 미리 정해진 기준치 이하로 낮추는 제5단계를 포함한다.And a fifth step of driving the unidirectional power converter to lower the remaining capacity of the ultracapacitor below a predetermined reference value when the regenerative braking is likely to occur.

상기에서 제2단계는,In the second step,

상기 울트라 커패시터의 잔존용량이 시동에 부족한 용량으로 판단되면, 상기 배터리와 전원선을 연결하는 단계와;If it is determined that the remaining capacity of the ultracapacitor is insufficient for starting, connecting the battery and a power line;

상기 울트라 커패시터의 잔존용량이 시동에 충분한 용량으로 판단되면, 상기 배터리와 전원선을 분리하는 단계를 포함한다.If the remaining capacity of the ultracapacitor is determined to be sufficient for starting, separating the battery and the power line.

상기에서 제3단계는,In the third step,

상기 배터리의 잔존용량이 미리 정해진 일정치 이상일 경우 상기 울트라 커패시터와 배터리의 잔존용량을 검출하는 단계로 이동하고, 상기 배터리의 잔존용량이 상기 일정치 이하일 경우 상기 배터리와 전원선을 연결하는 단계를 포함한다.Detecting the remaining capacity of the ultracapacitor and the battery when the remaining capacity of the battery is greater than or equal to a predetermined value, and connecting the battery and the power line when the remaining capacity of the battery is less than or equal to the predetermined value. do.

상기에서 제4단계는,In the fourth step,

상기 회생 제동이 발생할 확률이 높을 경우, 상기 배터리와 전원선의 연결 상태를 확인하는 단계와;Checking a connection state between the battery and the power line when the regenerative braking is high;

상기 확인 결과 배터리와 전원선이 연결된 경우 상기 배터리와 전원선을 분리하는 단계와;Separating the battery and the power line when the battery and the power line are connected as a result of the checking;

상기 배터리와 전원선이 분리된 경우 단방향 전력변환기를 구동시켜 상기 울트라 커패시터의 방전 에너지를 상기 배터리에 충전시키는 단계를 포함한다.And driving the unidirectional power converter when the battery and the power line are separated to charge the battery with the discharge energy of the ultracapacitor.

본 발명에 따르면 HEV나 EV등에서 사용되는 기존 단순 병렬 구조의 복합형 에너지 저장장치에 스위치와 단방향 전력변환기를 추가하고 이를 적절히 제어함으로써, 기존 복합형 에너지 저장장치가 갖는 수명 및 성능 특성을 개선하는 장점을 갖는다.According to the present invention, by adding a switch and a unidirectional power converter to an existing simple parallel structured energy storage device used in HEV or EV, and controlling it appropriately, the life and performance characteristics of the existing hybrid energy storage device are improved. Has

또한, 본 발명에 의해 개선된 복합형 에너지 저장장치는 울트라 커패시터의 운용범위를 최대한 넓혀, 배터리와 울트라 커패시터가 상시 연결된 기존의 복합형 에너지 저장장치에 비해 상대적으로 효율이 우수하며, 대전류 충전상황에서 배터리가 분리되어 있으므로 배터리 수명에 악영향을 미치는 가장 큰 요인이 제거됨으로써 배터리 수명 특성 개선효과가 나타난다.In addition, the hybrid energy storage device improved by the present invention widens the operation range of the ultracapacitor as much as possible, and is relatively more efficient than the conventional hybrid energy storage device in which the battery and the ultracapacitor are always connected, and in a large current charging situation. Since the battery is separated, the biggest factor that adversely affects battery life is eliminated, resulting in improved battery life characteristics.

또한, 회생 제동시, 단방향 전력변환기를 이용하여 울트라 커패시터의 SOC를 미리 낮춰 놓음으로써, 울트라 커패시터가 흡수 가능한 회생 에너지 양이 최대가 되도록 한다. 이는 손실되는 제동 에너지를 회생시켜 최대한 흡수하고자 하는 회생제동의 목적에 부합되며, 충전 효율특성이 우수한 울트라 커패시터만 단독으로 존 재하게 되므로, 단시간 동안 큰 에너지가 주어지는 회생 제동 상황에 효율적인 반응이 가능하다.In addition, during regenerative braking, the SOC of the ultracapacitor is lowered in advance by using a unidirectional power converter to maximize the amount of regenerative energy absorbed by the ultracapacitor. This satisfies the purpose of regenerative braking to regenerate the lost braking energy to absorb the maximum, and only an ultracapacitor having excellent charging efficiency characteristics can be used alone, and thus it is possible to efficiently react to a regenerative braking situation in which a large amount of energy is given for a short time. .

따라서 효율 및 회생 에너지 흡수 가능 범위가 증대된, 최적 운용 알고리즘을 적용시킨 개선된 복합형 에너지 저장 장치는 시스템 전체의 효율을 상승시키고 나아가 차량의 발전 요구량을 최소화시켜, 차량의 연비 개선 효과를 이끌어내는 장점을 갖는다.Therefore, the improved hybrid energy storage device applying the optimal operating algorithm, which increases the efficiency and the range of regenerative energy absorption, increases the efficiency of the entire system and further minimizes the vehicle's power generation requirements, leading to improved fuel efficiency of the vehicle. Has an advantage.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명하기에 앞서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, described in detail with reference to the accompanying drawings a preferred embodiment of the present invention. If it is determined that the detailed description of the known function or configuration related to the present invention may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

도 2는 본 발명에 따른 "복합형 에너지 저장장치"의 구성을 보인 회로도로서, 발전기와 같은 에너지 발생원(10)으로부터 발생한 전기 에너지를 저장하기 위한 울트라 커패시터(20)와; 상기 울트라 커패시터(20)와 함께 전기 에너지를 저장하기 위한 배터리(30)와; 상기 울트라 커패시터(20)와 배터리(30)의 잔존용량을 검출하고, 그 검출한 잔존용량 및 회생 제동 여부에 따라 스위칭 제어신호를 발생하는 에너지 관리 시스템(40)과; 상기 에너지 관리 시스템(40)으로부터 발생한 스위칭 제어신호에 대응하여 회생 제동시 상기 울트라 커패시터(20)의 방전 에너지를 상기 배터리(30)에 충전하는 단방향 전력변환기(60)와; 상기 에너지 관리 시스 템(40)으로부터 발생한 스위칭 제어신호에 대응하여 회생 제동시 상기 배터리(30)와 전원선(70)을 분리시키는 스위치(50)로 구성된다.Figure 2 is a circuit diagram showing the configuration of a "composite energy storage device" according to the present invention, an ultracapacitor 20 for storing electrical energy generated from an energy source 10, such as a generator; A battery (30) for storing electrical energy with the ultra capacitor (20); An energy management system 40 for detecting the remaining capacity of the ultracapacitor 20 and the battery 30 and generating a switching control signal according to the detected remaining capacity and regenerative braking; A unidirectional power converter 60 for charging the battery 30 with discharge energy of the ultracapacitor 20 in regenerative braking in response to a switching control signal generated from the energy management system 40; In response to the switching control signal generated from the energy management system 40 is configured to switch 50 to separate the battery 30 and the power supply line 70 when regenerative braking.

이와 같이 구성되는 본 발명은 울트라 커패시터(20)와 배터리(30)가 단순 병렬 연결된 종래의 복합형 에너지 저장장치에 스위치(50)와 단방향 전력변환기(60)를 추가하고, 이를 적절히 제어함으로써 복합형 에너지 저장장치의 성능을 개선한 것이다.The present invention configured as described above adds the switch 50 and the unidirectional power converter 60 to the conventional hybrid energy storage device in which the ultracapacitor 20 and the battery 30 are simply connected in parallel, and the hybrid type is properly controlled. The performance of the energy storage device is improved.

개선된 복합형 에너지 저장장치는 도 2와 같이, 배터리(30)의 양극(+)과 전원선 사이에 스위치(50)를 추가하고, 배터리(30)의 양극(+)과 울트라 커패시터(20)의 양극(+) 사이에 단방향 전력변환기(60)를 연결하는 구조이다. 여기서 울트라 커패시터(20)는 차량 내의 발전기(GEN. Generator) 혹은 ISG(Integrated Starter & Generator)와 같은 에너지 발생원(10)과 상시 연결되어 있으며, 배터리(30)는 추가된 스위치(50)에 의하여 연결 상태가 제어된다.The improved hybrid energy storage device adds a switch 50 between the positive electrode (+) of the battery 30 and the power line as shown in FIG. 2, and the positive electrode (+) and ultracapacitor 20 of the battery 30. The structure of connecting the unidirectional power converter 60 between the positive (+) of the. The ultra capacitor 20 is always connected to an energy source 10 such as a generator (GEN. Generator) or an integrated starter & generator (ISG) in the vehicle, and the battery 30 is connected by an additional switch 50. The state is controlled.

추가된 스위치(50)와 단방향 전력변환기(60)는 에너지 관리 시스템(EMS나 BMS)(40)에서 산출된 배터리(30)와 울트라 커패시터(20)의 잔존용량(SOC)에 따라 제어된다.The added switch 50 and the unidirectional power converter 60 are controlled according to the remaining capacity SOC of the battery 30 and the ultra capacitor 20 calculated by the energy management system (EMS or BMS) 40.

제어 동작을 살펴보면, 에너지 관리 시스템(40)은 통신을 통해 회생제동과 같이 배터리(30)에 대전류 충전이 이루어질 가능성이 있는 상황을 전달받게 되면, 스위치 제어신호를 발생하여 스위치(50)를 오프(OFF)시켜 배터리(30)와 전원선(70)을 분리시킨다. 아울러 울트라 커패시터(20)의 충전 에너지를 단방향 전력변환기(60)를 통해 배터리(30)로 방전시켜, 울트라 커패시터(20)가 받아들일 수 있는 회생 에너지의 양을 최대화시킨다.Looking at the control operation, the energy management system 40 generates a switch control signal to turn off the switch 50 when receiving a situation in which a large current charge may be made to the battery 30 such as regenerative braking through communication. OFF) to separate the battery 30 and the power supply line 70. In addition, the charging energy of the ultracapacitor 20 is discharged to the battery 30 through the unidirectional power converter 60 to maximize the amount of regenerative energy that the ultracapacitor 20 can accept.

이때 스위치(50)는 오프(OFF)되므로, 발전기 혹은 ISG 등이 연결된 전원선(70)으로부터 배터리(30)가 분리되고, 따라서 회생 제동시 배터리(30)에 큰 충전전류가 흐르지 않게 되므로 배터리(30)의 수명 저하의 주요한 요인인 대전류 충전 상황이 발생하지 않게 된다.At this time, since the switch 50 is turned off, the battery 30 is disconnected from the power line 70 to which the generator or ISG is connected, and thus, a large charging current does not flow to the battery 30 during regenerative braking. The high current charging situation, which is a major factor in the deterioration of the service life of 30), does not occur.

도 3은 본 발명에 따른 "복합형 에너지 저장장치의 운용방법"을 보인 흐름도로서, S는 단계(step)를 나타낸다.3 is a flowchart illustrating a "method of operating a hybrid energy storage device" according to the present invention, where S represents a step.

이에 도시된 바와 같이, 차량의 시동시 복합형 에너지 저장장치를 이루는 울트라 커패시터(20)와 배터리(30)의 잔존용량(SOC)을 검출하는 제1단계(S101 ~ S103)와; 상기 울트라 커패시터(20)의 잔존용량에 따라 상기 배터리(30)와 전원선(70) 간의 연결을 제어하는 제2단계(S105 ~ S109)와; 상기 배터리(30)와 전원선(70) 간의 연결 제어 후, 배터리(30)의 잔존용량에 따라 상기 배터리(30)와 전원선(70) 간의 연결을 제어하는 제3단계(S110 ~ S112)와; 통신을 통해 차량 주 제어기로부터 전송된 회생 제동 신호를 수신하여 분석하고, 그 분석 결과 회생 제동이 발생할 확률이 높을 경우 배터리(30)와 전원선(70) 간의 연결을 제어하는 제4단계(S113, S109)와; 상기 회생 제동이 발생할 확률이 높을 경우 단방향 전력 변환기(60)를 구동시켜 울트라 커패시터(20)의 잔존용량을 미리 정해진 기준치 이하로 낮추는 제5단계(S117)로 이루어진다.As shown therein, first steps S101 to S103 of detecting the remaining capacity SOC of the ultracapacitor 20 and the battery 30 constituting the hybrid energy storage device when the vehicle starts up; A second step (S105 to S109) of controlling the connection between the battery 30 and the power supply line 70 according to the remaining capacity of the ultracapacitor 20; After controlling the connection between the battery 30 and the power line 70, the third step (S110 ~ S112) for controlling the connection between the battery 30 and the power line 70 according to the remaining capacity of the battery 30 and ; Receiving and analyzing the regenerative braking signal transmitted from the main controller of the vehicle through communication, and if the probability of occurrence of the regenerative braking is high as a result of the analysis, controlling the connection between the battery 30 and the power line 70 (S113, S109); When the regenerative braking is likely to occur, a fifth step S117 is performed in which the unidirectional power converter 60 is driven to lower the remaining capacity of the ultracapacitor 20 below a predetermined reference value.

이와 같이 이루어지는 본 발명에 따른 복합형 에너지 저장장치의 운용방법은, 단계 S101에서와 같이 차량 시동이 발생하면, 단계 S103으로 이동하여 울트라 커패시터(20)와 배터리(30)의 잔존용량(SOC)을 검출한다. 여기서 울트라 커패시터(20)와 배터리(30)의 잔존용량을 검출하는 방법은 통상의 배터리 잔존용량을 검출하는 방법을 이용한다.In the operation method of the hybrid energy storage device according to the present invention as described above, when the vehicle start occurs as in step S101, it moves to step S103 to determine the remaining capacity SOC of the ultracapacitor 20 and the battery 30. Detect. Here, the method for detecting the remaining capacity of the ultra capacitor 20 and the battery 30 uses a conventional method for detecting the remaining battery capacity.

이후 단계 S105에서 상기 울트라 커패시터(20)가 시동에 충분한 에너지를 보유하고 있는지를 확인하여, 울트라 커패시터(20)가 시동에 충분한 에너지를 보유한 경우에는 단계 S109에서와 같이 스위치(50)를 오프(OFF)시켜 배터리(30)와 전원선(70)을 분리시킨다. 여기서 초기에는 스위치(50)가 오프(OFF) 상태이므로 그 상태를 유지하게 된다. 이와는 달리 울트라 커패시터(20)의 에너지가 부족한 경우에는 단계 S107에서와 같이 스위치(50)를 온(ON) 시켜 배터리(30)가 시동시 요구되는 에너지를 함께 공급하도록 한다.Thereafter, in step S105, it is checked whether the ultracapacitor 20 has sufficient energy for startup, and when the ultracapacitor 20 has sufficient energy for startup, the switch 50 is turned off as in step S109. ) To separate the battery 30 and the power supply line 70. In this case, since the switch 50 is initially in an OFF state, the state is maintained. On the contrary, when the energy of the ultracapacitor 20 is insufficient, the switch 50 is turned on as in step S107 so that the battery 30 is supplied with the energy required at startup.

다음으로, 스위치(50) 오프(OFF) 상태에서 차량 운행중 발전 동작에 의해 복합형 에너지 저장장치로 에너지가 공급되면, 단계 S110에서와 같이 배터리(30)의 잔존용량(SOC)을 확인하여 일정 값 이하인 경우에는 단계 S107로 이동하여 스위치(50)를 온(ON) 시켜 배터리(30)도 함께 충전되도록 한다. 여기서 일정 값은 실험에 의해 산출하여 설정하되, 가능하면 배터리(30)의 잔존용량으로 차량의 시동 전원을 공급할 수 있는 범위로 설정하는 것이 바람직하다.Next, when energy is supplied to the hybrid energy storage device by the power generation operation while the vehicle is running in the switch 50 OFF (OFF) state, as shown in step S110 to check the remaining capacity (SOC) of the battery 30 to a certain value In the following case, the process moves to step S107 to turn on the switch 50 so that the battery 30 is also charged together. Here, the predetermined value is calculated and set by the experiment, but preferably, it is set in a range that can supply the starting power of the vehicle with the remaining capacity of the battery 30.

또한, 단계 S111에서와 같이 충전에 의해 상기 배터리(30)의 잔존용량이 미리 정해놓은 최대 설정 값에 도달하면 단계 S112에서와 같이 차량 주제어기에 신호를 보내 발전 동작이 일어나지 않도록 한다.In addition, when the remaining capacity of the battery 30 reaches a predetermined maximum set value by charging as in step S111, a signal is sent to the main controller of the vehicle to prevent the power generation operation from occurring as in step S112.

다음으로, 단계 S113에서와 같이 에너지 관리 시스템(40)은 통신을 통해 차 량 주제어기 측으로부터 차량 데이터를 전달받고, 분석을 통해 회생 제동이 발생할 가능성이 높은 상황인지를 판단한다. 이 판단 결과 회생 제동이 발생할 가능성이 큰 경우에는, 단계 S115로 이동하여 상기 스위치(50)의 상태를 확인한다. 그리고 상기 확인 결과를 토대로 스위치를 제어하게 된다. 예를 들어, 상기 스위치(50)가 온(ON) 상태일 경우에는 단계 S109로 이동하여 스위치(50)를 오프(OFF)시켜 배터리(30)를 발전기 측 즉, 전원선(70)과 분리시키고, 상기 확인 결과 스위치(50)가 오프(OFF) 상태인 경우에는 단계 S117로 이동하여 단방향 전력변환기(60)를 이용하여 울트라 커패시터(20)의 충전 에너지를 배터리(30)로 방전시켜 울트라 커패시터(20)의 잔존용량을 일정 수준까지 낮춰 놓는다. 여기서 일정 수준 역시 실험에 의해 울트라 커패시터(20)가 최대로 전류를 충전할 수 있는 범위를 설정하는 것이 바람직하다.Next, as in step S113, the energy management system 40 receives the vehicle data from the vehicle main controller side through communication, and determines whether the situation is likely to be a regenerative braking through the analysis. If the regenerative braking is likely to occur as a result of this determination, the flow advances to step S115 to check the state of the switch 50. The switch is controlled based on the result of the check. For example, when the switch 50 is in an ON state, the flow moves to step S109 to turn off the switch 50 to separate the battery 30 from the generator side, that is, the power line 70. When the switch 50 is in the OFF state as a result of the checking, the controller 50 moves to step S117 to discharge the charging energy of the ultracapacitor 20 to the battery 30 by using the unidirectional power converter 60 to perform the ultracapacitor ( The remaining capacity of 20) is lowered to a certain level. In this case, it is desirable to set a range in which the ultracapacitor 20 can charge the current to the maximum level by experiment.

이러한 제어에 의해 단방향 전력변환기(60)는 울트라 커패시터(20)의 에너지를 배터리(30)로 전달하게 되며, 주지한 단방향 전력변환기(60)는 울트라 커패시터(20)의 잔존용량을 낮춰 놓기 위한 상황에서만 동작한다. By such control, the unidirectional power converter 60 transmits the energy of the ultra capacitor 20 to the battery 30, and the well-known unidirectional power converter 60 reduces the remaining capacity of the ultra capacitor 20. Only works with

한편, 차량 시동 전이나 차량이 잠시 정차시 시동을 끄는 아이들-스톱(Idle-Stop) 상황, 혹은 발전량에 비해 큰 전기적 부하가 존재하여 복합형 에너지 저장장치로부터 에너지 방출이 발생하는 상황에서는, 상기 울트라 커패시터(20)의 잔존용량을 검출하여 하한 설정 값(일정 값) 이하인 경우 스위치(50)를 온(ON)시켜 배터리(30)도 함께 에너지 공급을 담당하도록 한다.On the other hand, in the idle-stop situation in which the vehicle is turned off before starting the vehicle or when the vehicle is stopped for a while, or when there is a large electrical load compared to the amount of electricity generated, the energy is emitted from the hybrid energy storage device. When the remaining capacity of the capacitor 20 is detected and the lower limit set value (constant value) or less, the switch 50 is turned on so that the battery 30 is also in charge of supplying energy.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위 에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.The present invention is not limited to the above-described specific preferred embodiments, and various modifications can be made by any person having ordinary skill in the art without departing from the gist of the present invention claimed in the claims. Of course, such changes will fall within the scope of the claims.

이상 상술한 본 발명은 울트라 커패시터와 배터리로 이루어진 복합형 에너지 저장장치에서 효율적으로 에너지를 저장하면서도 배터리의 수명을 최대로 연장할 수 있는 기술로서, 울트라 커패시터와 배터리를 사용하는 복합형 에너지 저장장치를 이용하는 차량이나 기타 발전 설비 등의 산업 분야에 이용이 가능하다.The present invention as described above is a technology capable of maximally extending the life of the battery while efficiently storing energy in a hybrid energy storage device consisting of an ultracapacitor and a battery, using a hybrid energy storage device using an ultracapacitor and a battery. It can be used in industrial fields such as vehicles and other power generation facilities.

도 1은 종래 복합형 에너지 저장장치의 회로도.1 is a circuit diagram of a conventional hybrid energy storage device.

도 2는 본 발명에 따른 복합형 에너지 저장장치의 회로도.2 is a circuit diagram of a hybrid energy storage device according to the present invention.

도 3은 본 발명에 따른 복합형 에너지 저장장치의 운용방법을 보인 흐름도.Figure 3 is a flow chart showing a method of operating a hybrid energy storage device according to the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

10… 에너지 발생원10... Energy source

20… 울트라 커패시터20... Ultra capacitors

30… 배터리30... battery

40… 에너지 관리 시스템40... Energy management systems

50… 스위치50... switch

60… 단방향 전력변환기60... Unidirectional power converter

Claims (8)

에너지 발생원에 연결되어 발생한 전기 에너지를 저장하기 위한 울트라 커패시터와;An ultracapacitor for storing electrical energy generated by being connected to an energy source; 상기 울트라 커패시터와 함께 전기 에너지를 저장하기 위한 배터리와;A battery for storing electrical energy with the ultra capacitor; 상기 울트라 커패시터와 배터리의 잔존용량을 검출하고, 그 검출한 잔존용량 및 회생 제동 여부에 따라 스위칭 제어신호를 발생하는 에너지 관리 시스템과;An energy management system that detects remaining capacity of the ultracapacitor and battery and generates a switching control signal according to the detected remaining capacity and regenerative braking; 상기 에너지 관리 시스템으로부터 발생한 스위칭 제어신호에 대응하여 회생 제동시 상기 울트라 커패시터의 방전 에너지를 상기 배터리에 충전하는 단방향 전력변환기와;A unidirectional power converter configured to charge the battery with the discharge energy of the ultracapacitor during regenerative braking in response to a switching control signal generated from the energy management system; 상기 에너지 관리 시스템으로부터 발생한 스위칭 제어신호에 대응하여 회생 제동 또는 배터리의 잔존용량이 일정치 이하로 저하된 경우 상기 배터리와 전원선을 분리시키는 스위치를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 복합형 에너지 저장장치.And a switch separating the battery and the power line when the regenerative braking or the remaining capacity of the battery drops below a predetermined value in response to the switching control signal generated from the energy management system. 제1항에 있어서, 상기 에너지 관리 시스템은,The method of claim 1, wherein the energy management system, 검출한 울트라 커패시터의 잔존용량이 설정치 이하이거나 배터리의 잔존용량이 일정 값 이하일 경우 상기 스위치를 온(ON) 시키기 위한 스위칭 제어신호를 발생하고, 상기 울트라 커패시터의 잔존용량이 설정치 이상일 경우 상기 스위치를 오 프(OFF) 하기 위한 스위칭 제어신호를 발생하며, 차량의 주 제어기로부터 데이터 통신을 통해 차량 데이터를 수신하고 이를 분석하여 회생 제동이 발생할 확률이 높을 경우 상기 단방향 전력변환기의 구동과 상기 스위치의 오프(OFF)를 위한 스위칭 제어신호를 발생하는 것을 특징으로 하는 복합형 에너지 저장장치.When the remaining capacity of the detected ultracapacitor is less than or equal to the set value or the remaining capacity of the battery is less than or equal to the predetermined value, a switching control signal is generated to turn on the switch.If the remaining capacity of the ultracapacitor is greater than or equal to the set value, the switch is turned off. It generates a switching control signal to turn off, and receives the vehicle data through the data communication from the main controller of the vehicle and analyzes it so that there is a high probability that regenerative braking occurs, driving of the unidirectional power converter and turning off the switch ( And a switching control signal for OFF). 에너지 발생원, 울트라 커패시터, 배터리, 전원선과 배터리를 연결 또는 분리하기 위한 스위치, 상기 울트라 커패시터의 에너지를 배터리에 충전시키기 위한 단방향 전력변환기 및 제어를 위한 에너지 관리 시스템으로 구성된 복합형 에너지 저장장치를 제어하는 방법에 있어서,To control a hybrid energy storage device comprising an energy source, an ultracapacitor, a battery, a switch for connecting or disconnecting a power line and a battery, a one-way power converter for charging the battery of the ultracapacitor, and an energy management system for control. In the method, 차량의 시동시 상기 울트라 커패시터와 배터리의 잔존용량을 검출하는 제1단계와;Detecting a remaining capacity of the ultracapacitor and the battery when the vehicle starts up; 상기 울트라 커패시터의 잔존용량에 따라 상기 배터리와 전원선 간의 연결을 제어하는 제2단계와;Controlling a connection between the battery and a power line in accordance with the remaining capacity of the ultracapacitor; 상기 배터리와 전원선 간의 연결 제어 후, 배터리의 잔존용량에 따라 상기 배터리와 전원선 간의 연결을 제어하는 제3단계와;A third step of controlling the connection between the battery and the power line according to the remaining capacity of the battery after controlling the connection between the battery and the power line; 통신을 통해 차량 주 제어기로부터 전송된 회생 제동 신호를 수신하여 분석하고, 그 분석 결과 회생 제동이 발생할 확률이 높을 경우 배터리와 전원선 간의 연결을 제어하는 제4단계와;Receiving and analyzing the regenerative braking signal transmitted from the vehicle main controller through communication, and controlling the connection between the battery and the power line if the regenerative braking is high as a result of the analysis; 상기 회생 제동이 발생할 확률이 높을 경우 단방향 전력 변환기를 구동시켜 울트라 커패시터의 잔존용량을 미리 정해진 기준치 이하로 낮추는 제5단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 복합형 에너지 저장장치의 운용방법.And a fifth step of driving the unidirectional power converter to lower the remaining capacity of the ultracapacitor below a predetermined reference value when the regenerative braking is more likely to occur. 제3항에 있어서, 상기 제2단계는,The method of claim 3, wherein the second step, 상기 울트라 커패시터의 잔존용량이 시동에 부족한 용량으로 판단되면, 상기 배터리와 전원선을 연결하는 단계와;If it is determined that the remaining capacity of the ultracapacitor is insufficient for starting, connecting the battery and a power line; 상기 울트라 커패시터의 잔존용량이 시동에 충분한 용량으로 판단되면, 상기 배터리와 전원선을 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합형 에너지 저장장치의 운용방법.And if the remaining capacity of the ultra capacitor is determined to be sufficient for starting, separating the battery and the power line. 제3항에 있어서, 상기 제3단계는,The method of claim 3, wherein the third step, 상기 배터리의 잔존용량이 미리 정해진 일정치 이상일 경우 상기 울트라 커패시터와 배터리의 잔존용량을 검출하는 단계로 이동하고, 상기 배터리의 잔존용량이 상기 일정치 이하일 경우 상기 배터리와 전원선을 연결하여 배터리를 충전시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합형 에너지 저장장치의 운용방법.If the remaining capacity of the battery is greater than or equal to a predetermined value, the method moves to detecting the remaining capacity of the ultracapacitor and the battery.If the remaining capacity of the battery is less than or equal to the predetermined value, the battery and the power line are connected to charge the battery. Method of operating a hybrid energy storage device comprising the step of. 제3항에 있어서, 상기 제4단계는,The method of claim 3, wherein the fourth step, 상기 회생 제동이 발생할 확률이 높을 경우, 상기 배터리와 전원선의 연결 상태를 확인하는 단계와;Checking a connection state between the battery and the power line when the regenerative braking is high; 상기 확인 결과 배터리와 전원 선이 연결된 경우 상기 배터리와 전원선을 분리하는 단계와;Separating the battery and the power line when the battery and the power line are connected as a result of the checking; 상기 배터리와 전원 선이 분리된 경우 단방향 전력변환기를 구동시켜 상기 울트라 커패시터의 방전 에너지를 상기 배터리에 충전시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합형 에너지 저장장치의 운용방법.And operating a unidirectional power converter when the battery and the power line are separated to charge the battery with the discharge energy of the ultracapacitor. 제6항에 있어서, 상기 울트라 커패시터의 방전 에너지를 상기 배터리에 충전시키는 단계는 회생 제동과 같이 대전류 충전상황이 발생할 경우 최대 충전을 위해서 울트라 커패시터의 잔존용량을 미리 최소로 낮추어 에너지 회생률을 최대화하는 것을 특징으로 하는 복합형 에너지 저장장치의 운용방법.The method of claim 6, wherein the charging of the discharge energy of the ultracapacitor to the battery is performed by maximizing the energy recovery rate by lowering the remaining capacity of the ultracapacitor to a minimum for maximum charging when a large current charging situation occurs, such as regenerative braking. Method of operating a hybrid energy storage device, characterized in that. 제5항에 있어서, 상기 제3단계는,The method of claim 5, wherein the third step, 상기 배터리의 잔존용량이 최대 설정 값 이상일 경우 과충전을 방지하기 위해 상기 배터리와 전원선을 분리하고 주제어기에 신호를 보내 발전기의 발전 동작이 일어나지 않도록 하는 단계를 더 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 복합형 에너지 저장장치의 운용방법.When the remaining capacity of the battery is more than the maximum set value to prevent the overcharging of the hybrid energy, characterized in that it further comprises the step of separating the battery and the power line and sending a signal to the main controller so that the power generation operation of the generator does not occur How to operate the storage device.
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