KR101369686B1 - 차량의 배터리 충전장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

차량(특히, 전기자동차)의 시동상태나 주행상태에서 발생하는 진동을 전기에너지로 변환하여 장착된 배터리를 충전할 수 있도록 한 차량의 배터리 충전장치 및 그 방법이 개시된다.
개시된 차량의 배터리 충전장치는 엔진 회전수(RPM)를 검출하여 차량의 시동상태 판단신호로 출력하는 엔진 회전수(RPM) 센서와; 상기 차량의 차량 속도를 검출하는 차속 센서와; 차량의 특정 위치에 장착되고, 상기 차량의 시동상태 또는 주행상태에서 차량에서 발생하는 진동을 전기에너지로 발생하는 전기에너지 발생부와; 상기 엔진 회전수 센서에서 출력되는 시동상태 판단신호로 차량의 시동 여부를 판단하고, 상기 차속 센서의 출력으로 정지상태인지 주행상태인지를 판단하며, 차량이 시동상태가 아닌 경우에는 동작하지 않다가 차량의 시동상태가 검출되면 상기 전기에너지 발생부에서 발생하는 전기에너지를 메인 배터리 또는 보조 배터리에 충전하는 충전 제어부를 구비한다.

Description

차량의 배터리 충전장치 및 그 방법{Apparatus for battery charging of vehicle and method thereof}
본 발명은 차량의 배터리 충전장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차량(특히, 전기자동차)의 시동상태나 주행상태에서 발생하는 진동을 전기에너지로 변환하여 장착된 배터리를 충전할 수 있도록 한 차량의 배터리 충전장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 자동차는 가솔린이나 디젤을 연료로 사용하는 데, 가솔린이나 디젤은 연소 시 유해한 가스를 발생하여 대기오염을 일으킬 뿐만 아니라 가솔린이나 디젤을 만드는 원유가 지구상에 얼마 남아있지 않기 때문에 각 산업분야에서 대체에너지 개발을 서두르고 있으며, 그 해결책의 일환으로 개발되는 것이 전기자동차이다.
전기자동차는 자동차의 구동 에너지를 기존의 자동차와 같이 화석 연료의 연소로부터가 아닌 전기에너지로부터 얻는 자동차이다.
이러한 전기자동차에서 에너지를 수집하기 위해서, 태양 광 발전 시스템, 브레이크 에너지 회수장치, 바람개비 등의 다양한 방법이 시도되고 있다.
그 중 브레이크 에너지 회수장치나 바람개비 등을 이용하여 에너지를 획득하는 방식은 에너지 발생량이 미약하여 전기자동차에 장착된 배터리를 충전하기에는 역부족하며, 투자 대비 효율이 현저히 낮다는 단점이 있다.
또한, 태양 광 발전 시스템은 솔라셀이 비약적인 발전을 거듭하고 있지만, 그 효율 면에서 차량의 배터리를 충전하기 에는 아직 미흡한 상태이다. 특히, 현재의 솔라셀 수준에서는 많은 면적을 필요로 할 뿐만 아니라, 차량의 전체 면적을 활용한다 할지라도 야간에는 배터리 충전이 불가하다는 단점으로 인해 쉽게 접근하기 어려운 현실에 직면하고 있다.
이러한 에너지 수집장치에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 종래에 제안된 기술이 대한민국특허청 등록특허공보 등록번호 10-1076874호(2011.10.25. 공고)(발명의 명칭: 차량용 발전장치)(이하, "종래기술"이라 약칭함)에 개시되어 있다.
개시된 종래기술은 바퀴의 내측 면을 구성하는 휠의 플랜지부와, 상기 휠에 결합되어 바퀴의 외 측면을 구성하는 타이어에 의해 형성되는 상기 바퀴의 내부공간의 상기 휠의 플랜지부에 설치되며, 상기 타이어의 변형에 따라 상기 내부공간에 발생하는 공기 압력 변동에 의해 전기를 생성하는 다수의 압전소자를 포함하는 발전모듈, 상기 발전모듈에서 발전된 전기를 축전하는 축전기, 발전모듈과 상기 축전기를 전기적으로 연결하는 연결유닛을 포함한다.
이렇게 구성된 종래기술은 차량의 주행 중 차량의 바퀴에 인가되는 압력을 이용해 전기를 생산함으로써 전기자동차 또는 하이브리드 자동차와 같이 전기를 이용해 구동하는 차량의 동력원으로 제공하게 된다.
1. 대한민국특허청 등록특허공보 등록번호 10-1076874호(2011.10.25. 공고)(발명의 명칭: 차량용 발전장치)
그러나 상기와 같은 종래 기술은 주행 중 차량의 바퀴에 인가되는 압력을 이용하는 방식이므로, 차량에 시동이 걸린 상태에서 주행이 이루어지지 않으면 충전이 불가능하다는 단점이 있으며, 아울러 압력을 이용하는 방식이므로 전기에너지 생산량이 적다는 단점이 있다.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래기술에서 발생하는 제반 문제점을 해결하고 일반적인 전기자동차에 적용된 에너지 수집장치에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서,
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 차량의 시동이 걸린 상태에서 정지상태나 주행중 발생하는 진동을 전기에너지로 변환하여 장착된 배터리를 충전할 수 있도록 한 차량의 배터리 충전장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 진동을 에너지로 변환하는 복수의 압전 소자와 발생한 전기에너지를 배터리에 충전하는 간단한 충전회로만으로 기존 차량에 장착된 발전기(alternator)를 대체할 수 있도록 함으로써, 차량의 무게를 줄여 소비되는 동력을 절감할 수 있도록 한 차량의 배터리 충전장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 과제들을 해결하기 위한 본 발명에 따른 차량의 배터리 충전장치는,
엔진 회전수(RPM)를 검출하여 차량의 시동상태 판단신호로 출력하는 엔진 회전수(RPM) 센서;
상기 차량의 차량 속도를 검출하는 차속 센서;
차량의 특정 위치에 장착되고, 상기 차량이 시동상태가 아닌 경우에는 동작하지 않다가 차량의 시동상태가 검출되면 차량으로부터 발생하는 진동을 전기에너지로 발생하는 전기에너지 발생부;
상기 엔진 회전수 센서에서 출력되는 시동상태 판단신호로 차량의 시동 여부를 판단하고, 상기 차속 센서의 출력으로 정지상태인지 주행상태인지를 판단하며, 상기 차량이 시동상태가 아닌 경우에는 동작하지 않다가 차량의 시동상태가 검출되면 상기 전기에너지 발생부에서 발생하는 전기에너지를 메인 배터리 또는 보조 배터리에 충전하는 충전 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 충전 제어부는,
상기 메인 배터리의 충전량을 검출하고, 상기 메인 배터리가 만충전일 경우 전기에너지를 상기 보조 배터리에 충전하도록 충전 경로를 제어하는 기능을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 과제들을 해결하기 위한 본 발명에 따른 차량의 배터리 충전방법은,
(a) 차량의 시동 상태를 검출하는 단계;
(b) 상기 차량이 시동상태가 아닌 경우에는 동작하지 않다가 차량의 시동상태가 검출되면, 차량의 소정 위치에 장착된 압전 소자를 이용하여 차량으로부터 발생하는 진동을 전기에너지로 생성하는 단계;
(c) 상기 차량이 시동상태가 아닌 경우에는 동작하지 않다가 차량의 시동상태가 검출되면, 메인 배터리의 충전량을 검출하여 만충전이 아닌 경우 상기 생성한 전기에너지로 메인 배터리를 충전하고, 상기 메인 배터리가 만충전일 경우 상기 생성한 전기에너지로 보조 배터리를 충전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 차량의 시동상태나 주행상태에서 발생하는 진동을 전기에너지로 변환하여 장착된 배터리를 충전할 수 있는 장점이 있다.
또한, 진동 방식을 이용한 전기에너지 생성 방식이므로 차량의 시동만 걸리면 전기에너지를 생성할 수 있는 장점이 있으며, 기존 태양 광 발전시스템에서 흐린 날씨 혹은 야간에 충분히 배터리를 충전할 수 없다는 단점도 해소할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 차량의 배터리 충전장치의 구성도.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명에서 압전소자의 장착 상태도.
도 3a는 본 발명에서 RLDA 측정값 예시도이고, 도 3b는 RLDA 값의 하중 변화 분석도.
도 4는 본 발명에 따른 차량의 배터리 충전방법을 보인 흐름도.
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.
도 1은 본 발명에 따른 차량의 배터리 충전장치의 구성도로서, 엔진 회전수(RPM) 센서(110), 차속 센서(120), 전기에너지 발생부(130), 충전 제어부(140), 메인 배터리(150) 및 보조 배터리(160)로 구성된다.
엔진 회전수 센서(110)는 엔진 회전수(rpm)를 검출하여 차량의 시동상태 판단신호로 출력하는 역할을 하며, 차속 센서(120)는 상기 차량의 차량 속도를 검출하는 역할을 한다.
전기에너지 발생부(130)는 차량의 특정 위치에 장착되고, 상기 차량이 시동상태가 아닌 경우에는 동작하지 않다가 차량의 시동상태가 검출되면 정지상태 또는 주행 중 차량에서 발생하는 진동을 전기에너지로 생성하는 역할을 한다. 이러한 전기에너지 발생부(130)는 압전효과에 의하여 차량의 시동상태 또는 주행상태에서 발생하는 진동을 전기적 에너지로 변환하는 압전소자로 구현하는 것이 바람직하다.
충전 제어부(140)는 상기 엔진 회전수 센서(110)에서 출력되는 시동상태 판단신호로 차량의 시동 여부를 판단하고, 상기 차속 센서(120)의 출력으로 정지상태인지 주행상태인지를 판단하며, 상기 차량이 시동상태가 아닌 경우에는 동작하지 않다가 차량의 시동상태가 검출되면 상기 전기에너지 발생부(130)에서 발생하는 전기에너지를 메인 배터리(150) 또는 보조 배터리(160)에 충전하는 역할을 한다.
이러한 충전 제어부(140)는 압전소자에서 발생한 교류 에너지를 전파정류하여 직류로 만드는 브리지 다이오드와, 상기 브리지 다이오드에서 출력되는 직류를 지역 필터링하고 충전 전류로 배터리에 충전하는 RC충전회로를 포함하는 것이 바람직하다.
이러한 충전 제어부(140)는 도면에는 도시하지 않았지만, 충전량 검출기와 충전 경로 제어기를 포함하고, 상기 메인 배터리(150)의 충전량을 검출하고, 상기 메인 배터리(150)가 만충전일 경우 전기에너지를 상기 보조 배터리(160)에 충전하도록 충전 경로를 제어하게 된다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 차량의 배터리 충전장치는 먼저 충전 제어부(140)에서 엔진 회전수 센서(110)에서 발생하는 엔진 회전수로 차량의 시동 여부를 판단하게 되고, 차속 센서(120)에서 발생하는 차속 검출 신호로 차량이 정지상태인지 주행상태인지를 판단하게 된다.
그리고 판단 결과 차량의 시동이 걸린 상태이면 차량의 정지상태인지 주행상태인지를 확인하여 그에 맞게 전기에너지 발생부(130)를 통해 전기에너지를 수집하게 된다.
여기서 전기에너지 발생부(130)는 압전소자를 포함하며, 이러한 압전소자는 프런트(front) LH와 RH의 쇽 타워(SHOCK TOWER)와 코일 스프링(coil spring)사이에 장착되며, 리어(rear) LH와 RH의 쇽타워(SHOCK TOWER)와 코일 스프링(coil spring)사이에 장착된다. 뿐만 아니라 차량정차시에도 미약하나마 충전시스템을 보조하기 위해서 엔진 마운트(engine mount) LH와 RH도 압전소자를 장착하는 것이 바람직하다. 도 2a는 리어 RH 코일 스프링과 압전소자의 조립 상태도이고, 도 2b는 프런트 LH코일 스프링과 압전소자의 조립 상태도이며, 도 2c는 리어 LH 장착상태도이고, 도 2d는 프런트 LH 장착 상태도이다.
이렇게 설치된 압전소자는 일정한 하중에서는 전압의 변화가 없으나, 하중의 변화가 있을 경우에만 기전력이 발생하므로, 차량 주행 중 압전소자에 가해지는 하중의 량을 측정하였다(도 3a참조).
이를 위해 일반도로(포장도로)에서 RLDA(Road Load Data Acquisition)를 통하여 하중의 변화 값을 측정한 결과(도 3b참조), 그 하중의 변화 값이 프런트 LH 코일 스프링과 쇽 타워 사이의 1개에서만 0.46kw가 측정되었으며, 따라서 4곳(프런트 LH/RH, 리어 LH/RH)의 시간당 전기에너지 생성량을 계산해보면 0.46×4 = 1.84kw가 되어, 현재 차량에 설치된 발전기(alternator)를 대체할 수 있는 용량이 된다.
여기서 상기 압전소자의 작동원리 및 특성에 의해 차량의 4곳에서 이루어지는 발전량을 보다 상세히 계산해보면 다음과 같다.
압전소자에서 발생되는 전압은 매우 높은 반면에 전류값은 작게 나타나고, 특히 약 2㎏f의 변화량에 발생되는 전력량 측정시 약 1 Watt 정도가 발생되며, 실제 압전소자의 단품에서 발생되는 전류 및 전압으로 Watt를 계산하면 아래와 같다.
W = V × i at △F = 2㎏f
= 10V 300 mA
= 3 Watt
그리고 RLDA를 통하여 주행시 발생되는 50㎏f 하중변화 값을 기준으로 실제 차량에서 발생되는 전력을 Watt로 계산하면 아래와 같다.
W = V × i at △F = 50㎏f
= 75 Watt
여기서 차량의 하중변화 값을 1개의 부위에 대하여 측정횟수별로 정리하면 아래와 같다.

△F (㎏f)
45
55
65
75
.........
Counting
측정된 횟수
366
238
133
116
.........
따라서, 상기 횟수를 근거로 10분동안 발생된 전력을 고려하여 계산하면,
W = V × i at △F = 50㎏f
= 75 Watt × 238 / 600 = 29.75 Watt 가 된다.
이것을 △F (㎏f) = 10㎏f 단위로 약 5㎏f ~ 195㎏f 까지 동일하다고 가정하면 총 발생되는 전력은
W = V × i
= 29.75 Watt × 20 = 595 Watt 가 된다.
즉, 실제 차량에서는 총 4곳(프론트 LH/RH, 리어 LH/RH)에서 발전이 이루어 지므로 전체 발전량은
W = V × i
= 595 Watt × 4 = 2,380 Watt 가 되는 것이다.
한편, 현재 생산되어 차량에 사용되는 알터네이터의 용량은 암페어(A)로 표시되며, 보통 150A 를 사용하고 있으므로 이를 배터리의 전압(12V)을 고려하여 발전용량을 계산하면,
W = V × i
= 12V × 150A = 1,800 Watt 가 된다.
그러므로 상기 4곳의 압전소자로부터의 발전량(2,380 Watt)과 비교할 때 압전소자에 의한 발전량은 차량에서 필요로 하는 발전용량(기존 알터네이터의 발전량인 1,800 Watt)를 초과하게 되며, 이에 본 발명은 메인 배터리(150)의 만충전시 초과되는 발전량을 추가 저장하기 위한 보조배터리(160)를 적용시킬 수 있는 것이다.
한편, 정차상태에서 엔진 마운트 LH와 RH의 RLDA값을 측정한 결과 상기 4곳에서 생성되는 전기에너지의 약 20%에 해당 되었으며, 정차상태에서도 메인 배터리를 충전하기에는 어느 정도 충분한 전기에너지의 생성이 가능하다.
충전 제어부(140)는 주지한 바와 같이, 차량의 시동에서 전기에너지 발생부(130)에서 획득한 전기에너지를 브리지 다이오드와 RC충전회로를 이용하여 메인 배터리(150)에 충전을 하게 되며, 실시간으로 메인 배터리(150)의 충전량을 검출하여 만충전이 되면 충전 경로를 보조 배터리(160)로 변경하여 보조 배터리(160)로 충전을 하게 된다. 여기서 보조 배터리(160)는 시스템의 설계에 따라 구현하거나 구현하지 않을 수도 있다.
도 4는 본 발명에 따른 차량의 배터리 충전방법을 보인 흐름도로서, (a) 차량의 시동 상태를 검출하는 단계(S101); (b) 상기 차량이 시동상태가 아닌 경우에는 동작하지 않다가 차량의 시동상태가 검출되면, 차량의 소정 위치에 장착된 압전 소자를 이용하여 차량으로부터 발생하는 진동을 전기에너지로 생성하는 단계(S103); (c) 상기 차량이 시동상태가 아닌 경우에는 동작하지 않다가 차량의 시동상태가 검출되면, 메인 배터리의 충전량을 검출하여 만충전이 아닌 경우 상기 생성한 전기에너지로 메인 배터리를 충전하고, 상기 메인 배터리가 만충전일 경우 상기 생성한 전기에너지로 보조 배터리를 충전하는 단계(S105 ~ S109)로 이루어진다.
이와 같이 이루어지는 본 발명에 따른 차량의 배터리 충전방법은, 먼저 단계 S101에서 엔진 회전수 센서(110)의 출력 신호로 차량의 시동 여부를 확인하고, 차량이 시동된 상태이면 단계 S103으로 이동하여 차량의 소정 위치에 설치된 복수의 압전소자를 이용하여 차량에서 발생하는 진동을 전기에너지로 변환하게 된다.
이후 단계 S105에서 메인 배터리(150)의 충전량을 검출하여 만충전이 아니면 변환한 전기에너지로 메인 배터리(150)를 충전하고, 만충전일 경우에는 변환한 전기에너지로 보조 배터리(160)를 충전하게 된다.
여기서 메인 배터리(150)의 만충전 여부는 미리 메인 배터리의 용량을 입력하는 것으로 충전 제어부(140)에서 소프트웨어적으로 만충전에 대한 판단이 가능하며, 이러한 방식은 배터리 충전 분야에서 자명한 기술 내용이므로 구체적인 설명은 생략한다.
이상 설명한 본 발명은 차량의 시동상태때 정지상태 또는 주행 중 발생하는 진동을 전기에너지로 변환하여 장착된 배터리를 충전할 수 있으며, 특히, 진동 방식을 이용한 전기에너지 생성 방식이므로 차량의 시동만 걸리면 전기에너지를 생성할 수 있는 장점이 있어, 기존 태양 광 발전시스템에서 야간에 충전할 수 없다는 단점도 해소할 수 있게 되는 것이다.
110 : 엔진 회전수 센서 120 : 차속 센서
130 : 전기에너지 발생부 140 : 충전 제어부
150 : 메인 배터리 160 : 보조 배터리

Claims (4)

  1. 엔진 회전수(RPM)를 검출하여 차량의 시동상태 판단신호로 출력하는 엔진 회전수(RPM) 센서;
    상기 차량의 차량 속도를 검출하는 차속 센서;
    차량의 특정 위치에 장착되고, 상기 차량이 시동상태가 아닌 경우에는 동작하지 않다가 차량의 시동상태가 검출되면 차량으로부터 발생하는 진동을 전기에너지로 발생하는 전기에너지 발생부;
    상기 엔진 회전수 센서에서 출력되는 시동상태 판단신호로 차량의 시동 여부를 판단하고, 상기 차속 센서의 출력으로 정지상태인지 주행상태인지를 판단하며, 상기 차량이 시동상태가 아닌 경우에는 동작하지 않다가 차량의 시동상태가 검출되면 상기 전기에너지 발생부에서 발생하는 전기에너지를 메인 배터리 또는 보조 배터리에 충전하는 충전 제어부;를 포함하며,
    상기 충전 제어부는,
    상기 메인 배터리의 충전량을 검출하고, 상기 메인 배터리가 만충전일 경우 전기에너지를 상기 보조 배터리에 충전하도록 충전 경로를 제어하는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리 충전장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 전기에너지 발생부는,
    압전효과에 의해 차량에서 발생하는 진동을 전기에너지로 변환하는 압전소자를 포함하며,
    상기 압전소자는 프런트(front) LH와 RH의 쇽 타워(SHOCK TOWER)와 코일 스프링(coil spring)사이, 리어(rear) LH와 RH의 쇽타워(SHOCK TOWER)와 코일 스프링(coil spring)사이, 엔진 마운트(engine mount) LH와 RH에 각각 설치되는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리 충전장치.
  3. 삭제
  4. (a) 차량의 시동 상태를 검출하는 단계와;
    (b) 상기 차량이 시동상태가 아닌 경우에는 동작하지 않다가 차량의 시동상태가 검출되면, 차량의 소정 위치에 장착된 압전 소자를 이용하여 차량으로부터 발생하는 진동을 전기에너지로 생성하는 단계와;
    (c) 상기 차량이 시동상태가 아닌 경우에는 동작하지 않다가 차량의 시동상태가 검출되면, 메인 배터리의 충전량을 검출하여 만충전이 아닌 경우 상기 생성한 전기에너지로 메인 배터리를 충전하고, 상기 메인 배터리가 만충전일 경우 상기 생성한 전기에너지로 보조 배터리를 충전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리 충전방법.
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