KR101641560B1

KR101641560B1 - 전기자전거의 회생제동 제어장치

Info

Publication number: KR101641560B1
Application number: KR1020140095677A
Authority: KR
Inventors: 이동희; 곽윤창; 박준휘
Original assignee: 경성대학교 산학협력단
Priority date: 2014-07-28
Filing date: 2014-07-28
Publication date: 2016-07-21
Also published as: KR20160013642A

Abstract

본 발명의 일면에 따른 전기자전거의 회생제동 제어장치는 배터리로부터 전원을 공급받으며 모터를 구동하기 위한 위상별 모터 제어신호를 생성 및 출력하는 인버터와, 배터리와 인버터 사이에 위치하여 개폐동작에 따라 모터의 회생제동시 인버터로부터 배터리로의 충전 전류의 흐름을 단속하는 충전 스위치와, 충전 스위치와 병렬 접속되며 인버터로부터 배터리로의 전류 역류를 방지하는 다이오드와, 전기자전거의 페달에 가해지는 토크를 검출하는 PAS 센서와, 전기자전거의 몸체 일측에 구비되어 노면과의 기울기를 측정하는 기울기센서와, 배터리에서 출력되는 배터리 전압을 획득하고 배터리 전압과 토크와 기울기에 기초하여 충전 스위치의 개폐 동작을 제어하는 회생제동제어부를 포함한다.

Description

전기자전거의 회생제동 제어장치{APPARATUS FOR CONTROLLING REGENERATIVE-BRAKE OF ELECTRIC BYCICLE}

본 발명은 전기자전거의 회생제동 제어장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 전기 자전거의 배터리 상태와 사용자의 운전감성을 고려하여 전기자전거의 회생제동을 제어하는 전기자전거의 회생제동 제어장치에 관한 것이다.

최근에는 건강을 생각한 레져 활동에 대한 사람들의 관심이 크게 증가하고 있고, 환경을 고려한 2륜 및 3륜 전기 자전거의 사용 인구가 크게 증가하고 있다. 2륜 및 3륜 전기자전거는 기본적으로 사람의 힘으로 페달을 밟아서 자전거를 움직이지만, 오르막이나, 평지에서 배터리의 충전된 전기 에너지로 모터를 구동하여 보다 쉽게 사용자의 힘이 적게 들게 전기자전거를 동작시킬 수 있다. 이때, 배터리는 전압이 떨어지게 되면 방전이 되어 사용이 불가능해진다. 한편, 내리막길에서 잦은 브레이크의 사용은 기계적인 마모가 발생하게 되어, 브레이크의 수명이 줄어 들 수 있다. 특히, 사용자의 기계적 브레이크 상태는 감지를 할 수 없으므로, 종래의 전기자전거에서는 강제적으로 모터의 발생 전기 에너지를 배터리로 충전시키는 형태를 사용하고 있다. 따라서, 충전상태가 되면, 사용자의 의도와 관계없이 회생상태에 따른 제동이 발생할 수 있고, 배터리의 충전상태를 고려할 수 없으므로 배터리 수명이 줄어 들 수 있는 단점이 있다.

대부분의 2륜 및 3륜 차량의 배터리는 사용자가 페달을 밟을 때, 전기에너지를 모터에 공급하여 작은힘으로 전기자전거가 동작할 수 있게 하고, 내리막 등에서 모터의 회전에 의해 발전되는 전기에너지를 배터리로 충전하게 된다. 이때, 배터리가 충전될때에는 모터에 역토크가 걸리게 되므로, 전기적인 제동력이 발생하게 되므로 브레이크 동작이 이루어진다. 이러한 회생제동을 적절하게 조절하지 못하게 되면, 충전량에 따라 강제적으로 제동이 걸리게 되어 사용자의 의도와 관계없이 제동이 되고, 지속적인 충전에 의해 배터리의 전압이 과충전 되거나 과전압이 발생하더라도 이를 안정적으로 제어하지 못하게 되어 배터리의 수명이 감소할 수 있다. 또한, 과도한 방전으로 인하여 배터리에 딥방전(deep dis-charge) 사이클이 발생하게 되어도 역시 배터리의 수명이 감소하는 단점이 있다.

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본 발명의 목적은, 전기 자전거의 배터리 상태와 사용자의 운전감성을 고려하여 전기자전거의 회생제동을 제어하는 전기자전거의 회생제동 제어장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일면에 따른 전기자전거의 회생제동 제어장치는 배터리로부터 전원을 공급받으며 모터를 구동하기 위한 위상별 모터 제어신호를 생성 및 출력하는 인버터와, 배터리와 인버터 사이에 위치하여 개폐동작에 따라 모터의 회생제동시 인버터로부터 배터리로의 충전 전류의 흐름을 단속하는 충전 스위치와, 충전 스위치와 병렬 접속되며 인버터로부터 배터리로의 전류 역류를 방지하는 다이오드와, 전기자전거의 페달에 가해지는 토크를 검출하는 PAS 센서와, 상기 전기자전거의 몸체 일측에 구비되어 노면과의 기울기를 측정하는 기울기센서와, 배터리에서 출력되는 배터리 전압을 획득하고 배터리 전압과 토크와 기울기에 기초하여 충전 스위치의 개폐 동작을 제어하는 회생제동제어부를 포함한다.

본 발명에 따르면, 전기자전거의 사용자의 주행의도를 파악하여 감성주행이 가능하게 된다는 이점이 있으며, 내리막 상태와 오르막 상태를 구분하여 배터리를 충전하도록 하므로써 배터리의 성능 및 효율을 높일수 있다는 이점이 있다.

또한, 배터리가 과충전된 상태에서 충전 전류를 저항에서 소모할 수 있도록 하여 배터리와 회로를 보호할 수 있다는 이점이 있다.

또한, 회생제동시 다양한 센서의 출력값에 기초하여 배터리를 충전할 수 있다는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회생제동 제어장치를 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 회생제동 제어장치의 동작을 설명하기 위한 전기적인 파형을 나타내는 그래프.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.

이하, 도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 회생제동 제어장치(10)를 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회생제동 제어장치(10)를 나타내는 도면이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 회생제동 제어장치(10)는 모터(500)를 전기적인 힘으로 구동하여 페달에 가해지는 물리적 힘을 보조하는 전기자전거에 있어서, 모터(500)가 내리막 코스 등에서 발전기로 동작하는 회생제동을 제어하기 위한 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 회생제동 제어장치(10)는, PAS 센서(111) 및 기울기센서(600)의 출력에 기초하여 배터리(100)와 인버터(200)사이의 다이오드(D₁₁)와 병렬연결 되는 충전 스위치(Q₁₁)와 보호 스위치(Q₁₂)를 제어하는 회생제동제어부(400)를 포함한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 회생제동 제어장치(10)는 모터(500)의 구동을 위한 구성으로서, 배터리 전압 측정부(210)와, 충방전 전류 검출부(220)와, 상전류 검출부(230)와, 토크 제어부(300)와, 위치검출센서(510)를 더 포함할 수 있다.

이하, 세부구성별로 보다 구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 회생제동 제어장치(10)를 설명하도록 한다.

PAS 센서(111)는 전기자전거의 페달에 가해지는 토크(Tpas)를 검출한다.

인버터(200)는 배터리(100)로부터 전원을 공급받아 모터(500)를 구동하기 위하여 위상별 모터 제어신호를 생성 및 출력한다. 여기서, 모터 제어신호는 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM) 신호일 수 있다.

충전 스위치(Q₁₁)는 배터리(100)와 인버터(200) 사이에 위치하여 개폐동작에 따라 모터(500)의 회생제동시 인버터(200)로부터 배터리(100)로의 충전 전류(i_chg)의 흐름을 단속한다.

다이오드(D₁₁)는 충전 스위치(Q₁₁)와 병렬 접속되며 인버터(200)로부터 배터리(100)로의 전류 역류를 방지한다.

즉, 회생 제동시에 다이오드(D₁₁)로 인하여, 충전 스위치(Q₁₁)가 턴온되는 경우에만 충전 전류(i_chg)가 인버터(200)로부터 배터리(100)로 흐르게 되고, 충전 스위치(Q₁₁)가 턴오프되는 경우는 인버터(200)로부터 배터리(100)로 충전 전류가 흐르지 않게 된다.

배터리 전압 검출부(210)는 배터리(100)에서 출력되는 배터리 전압(V_BAT)을 검출한다.

충방전 전류 검출부(220)는 배터리(100)와 인버터(200) 사이에 흐르는 충방전 전류(i_dc)를 검출한다.

보호 스위치(Q₁₂)는 개폐동작에 따라 충방전 전류의 소모를 위한 저항(Rreg)으로 충방전 전류를 통하거나 차단하도록 한다. 여기서, 보호스위치(Q₁₂)는, 드레인은 일단이 인버터(200)의 입력단자와 연결되는 저항(Rreg)의 타단과 연결되며 소스는 접지되고 게이트는 회생제동제어부(400)와 연결되는 트랜지스터일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

상전류 검출부(230)는 인버터(200)와 모터(500) 사이의 위상별 선로에서 모터(500)의 제어를 위한 위상별 상전류(i_as, i_bs, i_cs)를 검출한다.

릴레이스위치(240)는 인버터(200)와 모터(500) 사이의 위상별 선로에 위치되는 개폐동작을 수행하는 스위치들(RL₁, RL₂, RL₃)로 이루어져 인버터(200)의 모터(500) 제어를 위한 출력을 단속한다.

위치검출센서(510)는 모터(500)의 회전자 위치를 검출한다. 여기서, 위치검출센서(510)는 홀센서 또는 엔코더일 수 있다.

기울기센서(600)는 전기자전거의 몸체 일측에 구비되어 노면과의 기울기를 측정한다. 기울기센서(600)는 전압값, 각도값 등의 형태로 측정된 기울기를 출력하는 것일 수 있다.

토크 제어부(300)는 토크와, 회전자 위치와, 위상별 상전류 중 어느 하나에 기초하여 위상별 모터 제어신호의 생성을 위한 토크지령을 생성하여 인버터(200)를 제어한다.

회생제동제어부(400)는 배터리(100)에서 출력되는 배터리 전압(V_BAT)을 획득하고, 배터리 전압과, 토크와, 기울기에 기초하여 충전 스위치(Q₁₁) 및 보호 스위치(Q₁₂) 중 적어도 하나의 개폐 동작을 제어한다.

회생제동제어부(400)는 배터리 전압이 기설정된 방전제한전압값 이하이고, 토크가 기설정된 제1 임계토크값을 초과하고 제1 임계토크값보다는 큰 제2 임계토크값 미만이면서, 기울기가 기설정된 임계 기울기값 이하이면, 회생 제동에 따른 충전 전류를 배터리(100)로 공급하기 위하여 충전 스위치(Q₁₁)를 턴온하는 것 일 수 있다.

여기서, 방전제한전압값은 배터리가 방전되는 것을 방지하기 위한 전압값으로 정상상태에서의 배터리 출력 전압값보다 낮은 전압레벨로 설정되는 것이 바람직하다.

제1 임계토크값은 페달에 가해지는 토크가 거의 없는 상태를 나타내는 0에 가까운 토크값으로 설정될 수 있다. 제2 임계토크값은 페달에 상대적으로 가벼운 수준의 토크가 가해지는 상태를 나타내는 토크값으로 설정될 수 있다.

한편, 전기자전거가 내리막 코스를 주행하는 경우 기울기가 기설정된 임계 기울기값 이하가되도록 하고 전기자전거가 오르막 코스를 주행하는 경우 기울기가 임계 기울기값을 초과하도록 임계 기울기값이 설정될수 있다.

즉, 회생제동제어부(400)는 전기자전거의 사용자가 페달을 가볍게 밟게 되고, 내리막 코스이며, 배터리 전압이 방전제한전압값 이하가되면 회생제동에 따라 배터리(100)를 충전할 수 있도록 한다.

반면, 페달에 가해지는 토크가 높은 상태 또는 오르막 코스에서 회생제동에 따른 제동 현상을 억제하고 배터리(100)에 역기전력이 인가되는것을 방지하기 위하여, 회생제동제어부(400)는 배터리 전압이 기설정된 방전제한전압값 이하인 경우라 하더라도 토크가 제2 임계토크값 이상이거나 기울기가 임계 기울기값 초과인 경우 회생제동에 따른 충전 전류를 차단하기 위하여 충전 스위치(Q₁₁)를 턴오프할 수 있다.

또한, 회생제동제어부(400)는 토크가 제1 임계토크값 이하이고 기울기가 기설정된 임계 기울기값 이하인 경우 회생제동에 따른 충전 전류를 배터리(100)로 공급하기 위하여 충전 스위치(Q₁₁)를 턴온하는 것 일 수 있다.

즉, 회생제동제어부(400)는 페달에 토크가 가해지지 않는 상태로서 전기자전거 등의 사용자가 주행의지가 없는 경우에 내리막 코스에서 배터리(100)를 충전할 수 있도록 한다.

회생제동제어부(400)는 배터리 전압이 기설정된 전압레벨의 과충전 임계값보다 크면 회생제동에 따른 충전 전류를 차단하기 위하여 충전 스위치(Q₁₁)를 턴오프하며 보호 스위치(Q₁₂)를 턴온하여 충방전 전류의 소모하도록 한다.

또한, 회생제동제어부(400)는 배터리 전압이 기설정된 전압레벨의 과충전 임계값보다 크면 인버터(200)의 출력이 차단되도록 릴레이스위치(240)를 제어하는 것일 수 있다.

전술한 바에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 회생제동 제어장치(10)는 회생제동제어부(400)가 충전 스위치(Q₁₁) 또는 보호 스위치(Q₁₂) 제어하게 됨에 따라 전기자전거의 사용자의 주행의도를 파악하여 감성주행이 가능하게 된다는 이점이 있으며, 내리막 상태와 오르막 상태를 구분하여 배터리를 충전하도록 하므로써 배터리의 성능 및 효율을 높일수 있다는 이점이 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 회생제동 제어장치(10)의 동작을 설명하기 위한 전기적인 파형을 나타내는 그래프이다.

도 2에 있어서, 세로축은 크기이며, 가로축은 시간을 나타낸다. 또한, 901은 전기자전거의 주행시 노면의 경사를 나타내고, 903은 기울기 센서의 출력 전압값, 905는 PAS 센서의 출력값, 907은 전기자전거의 속도, 909는 배터리의 출력 전압값, 911은 릴레이스위치의 상태값, 913은 보호 스위치의 게이트 전압값, 915는 충전 스위치의 게이트 전압값을 나타낸다.

905 및 915의 그래프를 참조하면, PAS 센서의 출력값, 즉, 토크가 T_set 이상인 경우에서는 충전 스위치가 턴오프가 된다.

또한, 909 및 915의 그래프를 참조하면, 토크가 T_set 미만인 경우 배터리 전압이 임계값(V_BL2) 보다 작고 임계값(V_BL1) 보다 큰 경우에 있어서 충전 스위치가 턴온된다(t₄ 내지 t₅).

또한, 901 및 915의 그래프를 참조하면, 기울기가 내리막인 경우에서 토크가 발생되지 않을 때, 충전 스위치가 턴온된다(t₂ 내지 t₃, t₆ 내지 t₇, t₈ 내지 t₉).

또한, 911과 913을 참조하면, 배터리 전압이 임계값(V_BH1) 이상이 되면 보호 스위치가 턴온되고, 릴레이스위치는 턴오프가 된다.

도 2에 도시된 그래프는 도 1을 참조하여 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 회생제동 제어장치(10)의 동작을 경우의 수에 따라 각각 설명하기 위한 것으로 하나의 실시예에 해당할 뿐이며, 설명의 편의를 위해 도시하였을 뿐이고 권리범위를 한정하고자 함이 아니다.

본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10: 회생제동 제어장치,
100: 배터리,
111: PAS 센서,
200: 인버터,
210: 배터리 전압 측정부, 220: 충방전 전류 검출부,
230: 상전류 검출부, 240: 릴레이스위치,
300: 토크 제어부,
400: 회생제동제어부,
500: 모터, 510: 위치검출센서,
600: 기울기센서,
D₁₁: 다이오드,
Q₁₁: 충전 스위치,
Q₁₂: 보호 스위치,
R_reg: 저항.

Claims

전기자전거의 회생제동 제어장치에 있어서,
배터리로부터 전원을 공급받으며, 모터를 구동하기 위한 위상별 모터 제어신호를 생성 및 출력하는 인버터;
상기 배터리와 상기 인버터 사이에 위치하여 개폐동작에 따라 상기 모터의 회생제동시 상기 인버터로부터 상기 배터리로의 충전 전류의 흐름을 단속하는 충전 스위치;
상기 충전 스위치와 병렬 접속되며 상기 인버터로부터 상기 배터리로의 전류 역류를 방지하는 다이오드;
전기자전거의 페달에 가해지는 토크를 검출하는 PAS 센서;
상기 전기자전거의 몸체 일측에 구비되어 노면과의 기울기를 측정하는 기울기센서;
상기 배터리에서 출력되는 배터리 전압을 획득하고, 상기 배터리 전압과, 상기 토크와 상기 기울기에 기초하여 상기 충전 스위치의 개폐 동작을 제어하는 회생제동제어부; 및
드레인은 일단이 상기 인버터의 입력단자와 연결되는 저항의 타단과 연결되며 소스는 접지되고 게이트는 상기 회생제동제어부와 연결되는 트랜지스터로 이루어지는 보호스위치를 포함하되,
상기 회생제동제어부는 상기 배터리 전압이 기설정된 방전제한전압값 이하인 경우, 상기 토크가 기설정된 제1 임계토크값을 초과하고 상기 제1 임계토크값보다는 큰 제2 임계토크값 미만이면서 상기 기울기가 기설정된 임계 기울기값 이하이면 회생 제동에 따른 충전 전류를 상기 배터리로 공급하기 위하여 상기 충전 스위치를 턴온하고, 상기 토크가 상기 제2 임계토크값 이상이거나 상기 기울기가 상기 임계 기울기값 초과이면 회생제동에 따른 충전 전류를 차단하기 위하여 상기 충전 스위치를 턴오프하는 것이며,
상기 배터리 전압이 기설정된 전압레벨의 과충전 임계값보다 크면 회생제동에 따른 충전 전류를 차단하기 위하여 상기 충전 스위치를 턴오프하며 상기 보호 스위치를 턴온하는 것
인 전기자전거의 회생제동 제어장치.
삭제
제 1 항에 있어서, 상기 회생제동제어부는,
상기 토크가 기설정된 제1 임계토크값 이하이고 상기 기울기가 기설정된 임계 기울기값 이하인 경우 회생제동에 따른 충전 전류를 상기 배터리로 공급하기 위하여 상기 충전 스위치를 턴온하는 것
인 회생제동 제어장치.
삭제
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 인버터와 상기 모터 사이의 위상별 선로에 위치되는 개폐동작을 수행하는 스위치들로 이루어져 상기 인버터의 모터 제어를 위한 출력을 단속하는 릴레이스위치;
를 더 포함하는 회생제동 제어장치.
삭제