KR102264458B1 - 하이브리드 에너지 저장장치 - Google Patents

하이브리드 에너지 저장장치 Download PDF

Info

Publication number
KR102264458B1
KR102264458B1 KR1020190085386A KR20190085386A KR102264458B1 KR 102264458 B1 KR102264458 B1 KR 102264458B1 KR 1020190085386 A KR1020190085386 A KR 1020190085386A KR 20190085386 A KR20190085386 A KR 20190085386A KR 102264458 B1 KR102264458 B1 KR 102264458B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
energy storage
storage unit
power
converter
unit
Prior art date
Application number
KR1020190085386A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20210009452A (ko
Inventor
조인호
류준형
이준석
이장무
이한민
Original Assignee
한국철도기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국철도기술연구원 filed Critical 한국철도기술연구원
Priority to KR1020190085386A priority Critical patent/KR102264458B1/ko
Publication of KR20210009452A publication Critical patent/KR20210009452A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102264458B1 publication Critical patent/KR102264458B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
    • H02J7/345—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering using capacitors as storage or buffering devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/50—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
    • B60L50/51—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells characterised by AC-motors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/20—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles characterised by converters located in the vehicle
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/50—Charging stations characterised by energy-storage or power-generation means
    • B60L53/53—Batteries
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/50—Charging stations characterised by energy-storage or power-generation means
    • B60L53/55—Capacitors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L7/00—Electrodynamic brake systems for vehicles in general
    • B60L7/10—Dynamic electric regenerative braking
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2210/00—Converter types
    • B60L2210/10—DC to DC converters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60Y—INDEXING SCHEME RELATING TO ASPECTS CROSS-CUTTING VEHICLE TECHNOLOGY
    • B60Y2200/00—Type of vehicle
    • B60Y2200/90—Vehicles comprising electric prime movers
    • B60Y2200/91—Electric vehicles
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/64—Electric machine technologies in electromobility
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/7072—Electromobility specific charging systems or methods for batteries, ultracapacitors, supercapacitors or double-layer capacitors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/72—Electric energy management in electromobility
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/80—Technologies aiming to reduce greenhouse gasses emissions common to all road transportation technologies
    • Y02T10/92—Energy efficient charging or discharging systems for batteries, ultracapacitors, supercapacitors or double-layer capacitors specially adapted for vehicles
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/12—Electric charging stations
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/14—Plug-in electric vehicles

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Abstract

본 발명은 하이브리드 에너지 저장장치가 개시된다. 본 발명의 하이브리드 에너지 저장장치는, 전력선으로부터 전원을 공급받아 구동전압으로 변환하는 DC/DC 컨버터; DC/DC 컨버터로부터 구동전압을 입력받아 저장하며 추진 동작시 전원을 출력하는 제1 에너지 저장부; 모터로부터 생성되는 회생에너지를 저장하는 제2 에너지 저장부; 제1 에너지 저장부의 전원을 공급받아 모터를 구동시키고, 모터로부터 생성되는 회생에너지를 제2 에너지 저장부에 저장하는 인버터; 제2 에너지 저장부의 전원을 변환하여 제1 에너지 저장부로 공급하는 전력변환장치; 인버터와 제2 에너지 저장부 간 전류패스를 형성하기 위한 제1 스위칭부; 회생에너지가 제1 에너지 저장부로 흐르지 못하도록 차단하는 역류차단부; 및 추진 동작 시 전력변환장치와 인버터를 제어하여 모터를 구동시키고, 회생 시 인버터와 제1 스위칭부를 제어하여 회생에너지를 제2 에너지 저장부에 저장하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

하이브리드 에너지 저장장치{HYBRID ENERGY STORAGE APPARATUS}
본 발명은 하이브리드 에너지 저장장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리와 슈퍼 커패시터를 하이브리드로 구성한 에너지 저장장치에서 단일 전력 변환 장치를 통해 이종 에너지 저장매체의 특성에 따라 충방전이 이루어질 수 있도록 하는 하이브리드 에너지 저장장치에 관한 것이다.
최근 산업 전반에서 에너지 효율 향상을 위해 다양한 연구를 진행하고 있다. 교통 분야에서는 탄소배출량 저감을 위해 기존의 내연기관의 효율을 향상시키거나 친환경 동력 시스템을 다양한 방식으로 적용하고 있다.
그 중 현재까지 가장 널리 주목받고 있는 방식으로는 2차 전지를 적용하여 제동 때 발생하는 회생에너지를 저장하여 다시 활용하거나, 내연기관을 대체할 대용량 2차 전지 시스템을 적용하여 추진 동력으로 사용하는 방식이다.
이러한 2차 전지 시스템으로는 현재 체적당 에너지밀도가 높은 배터리가 널리 사용되고 있으나, 화학반응을 하는 배터리는 낮은 입/출력 밀도 특성, 낮은 입/출력 밀도 특성, 수 천 사이클 수준의 짧은 배터리 수명, 셀 간 불평형으로 인한 안전성 문제 등의 한계점들로 인해 배터리 시스템으로의 전환 속도를 늦추고 있다.
특히, 배터리가 갖는 낮은 입/출력 밀도 특성은 제동 때 발생하는 회생에너지를 충분히 받아들이지 못하는 제한 요인이 되고 있다.
따라서 이를 해결하기 위해 입/출력 밀도 특성이 좋은 슈퍼 커패시터를 함께 사용하여 회생에너지를 흡수, 저장하는 방안도 검토되고 있다. 하지만, 이 경우 대용량의 전력변환 시스템이 추가적으로 필요하다는 단점을 갖고 있어 시스템의 효율을 떨어뜨리고 오히려 시스템 전체의 사이즈를 증가시키는 한계점을 보이게 된다.
또한 대용량 에너지가 요구되는 에너지 저장시스템에는 에너지 밀도가 높은 배터리가 널리 적용되고 있다. 하지만 셀 제작 시 공정 과정에서의 미세한 차이와 운영 환경에서의 차이로 인해 배터리 시스템을 구성하는 배터리 셀의 특성 차이를 야기하고, 이는 시스템의 안전성을 떨어뜨리는 문제점으로 작용하고 있다.
이러한 문제점을 보완하기 위해 직렬 구성된 배터리 셀 별로 밸런싱 회로를 구성하여 적용하고 있다. 하지만 안전성 향상을 위해 구성된 셀 밸런싱 회로는 시스템의 복잡성을 증가 시키고, 가장 노화가 심한 배터리 셀의 특성을 기준으로 직렬 구성된 전체 시스템을 제어하기 때문에 시스템 전체의 성능을 저하시키는 결과를 가지고 오기도 한다.
이에 따라 배터리를 적용하는 에너지 저장시스템의 경우 700V급 이상의 높은 시스템에서는 에너지 저장시스템과 인버터 사이에 승압용 전력변환장치를 적용하는 구조를 채용하고 있다. 하지만 수 MW급 추진/회생에너지를 전달해야 하는 전력 변환 장치는 크기와 무게의 부담으로 적용에 많은 제약사항을 가지고 있다.
또한 슈퍼 커패시터에 비해 제한된 배터리 자체의 입출력 전력 특성은 짧은 시간 동안 크게 요구되는 추진 에너지를 적절히 공급하고 제동 시 회생에너지를 충분히 받아들여 저장하는데 제약조건이 되고 있다.
따라서 이러한 문제점을 해결하기 위해 에너지 저장장치를 전력밀도 특성이 우수한 슈퍼 커패시터와 에너지밀도 특성이 우수한 배터리를 결합하여 구성하는 하이브리드 방식의 에너지 저장장치도 도입되고 있다.
이러한 하이브리드 방식은 배터리로 들어가고 나가는 전류의 크기를 줄이기 위하여 추진 인버터에서 순간적으로 높은 전력이 필요하거나 공급되는 경우 출력특성이 좋은 슈퍼 커패시터를 활용하는 방식으로, 배터리의 사이즈를 줄일 수 있고 수명을 늘일 수 있다는 장점을 가지지만, 컨버터가 추가적으로 더 요구되어 전력변환장치 전체의 사이즈를 줄이는 데에는 한계가 있다는 문제점이 있다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허공보 제10-1375652호(2014.03.19. 공고, 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장장치 및 그 방법)에 개시되어 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 개선하기 위하여 안출된 것으로, 일 측면에 따른 본 발명의 목적은 배터리와 슈퍼 커패시터를 하이브리드로 구성한 에너지 저장장치에서 단일 전력 변환 장치를 통해 이종 에너지 저장매체의 특성에 따라 충방전이 이루어질 수 있도록 하는 하이브리드 에너지 저장장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 하이브리드 에너지 저장장치는, 전력선으로부터 전원을 공급받아 구동전압으로 변환하는 DC/DC 컨버터; DC/DC 컨버터로부터 구동전압을 입력받아 저장하며 추진 동작시 전원을 출력하는 제1 에너지 저장부; 모터로부터 생성되는 회생에너지를 저장하는 제2 에너지 저장부; 제1 에너지 저장부의 전원을 공급받아 모터를 구동시키고, 모터로부터 생성되는 회생에너지를 제2 에너지 저장부에 저장하는 인버터; 제2 에너지 저장부의 전원을 변환하여 제1 에너지 저장부로 공급하는 전력변환장치; 인버터와 제2 에너지 저장부 간 전류패스를 형성하기 위한 제1 스위칭부; 회생에너지가 제1 에너지 저장부로 흐르지 못하도록 차단하는 역류차단부; 및 추진 동작 시 전력변환장치와 인버터를 제어하여 모터를 구동시키고, 회생 시 인버터와 제1 스위칭부를 제어하여 회생에너지를 제2 에너지 저장부에 저장하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 제1 에너지 저장부는 배터리로 구성되고, 제2 에너지 저장부는 슈퍼 커패시터로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 역류차단부는, 역방향 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 제1 스위칭부는, 바이패스 다이오드와 제1 스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 전력변환장치는, 승압용 전력변환장치인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 하이브리드 에너지 저장장치는, 전력선으로부터 전원을 공급받아 구동전압으로 변환하는 DC/DC 컨버터; DC/DC 컨버터로부터 구동전압을 입력받아 저장하여 추진 동작시 전원을 출력하고 회생에너지를 저장하는 제3 에너지 저장부; 제3 에너지 저장부와 직렬로 연결되어 구동전압을 저장하거나 회생에너지를 저장하는 제4 에너지 저장부; 제3 에너지 저장부와 인버터 사이에 매개되어 양방향으로 전력을 변환하는 양방향 전력변환장치; 양방향 전력변환장치에서 출력되는 전원을 공급받아 모터를 구동시키고, 모터로부터 생성되는 회생에너지를 양방향 전력변환장치로 출력하는 인버터; 제4 에너지 저장부가 제3 에너지 저장부와 직렬상태로 DC/DC 컨버터와 양방향 전력변환장치에 연결되도록 스위칭하거나, 제3 에너지 저장부가 단독상태로 DC/DC 컨버터와 양방향 전력변환장치에 연결되도록 스위칭하는 제2 스위칭부; 및 추진 동작 시 제2 스위칭부, 양방향 전력변환장치 및 인버터를 제어하여 제3 에너지 저장부의 단독상태로 전원을 출력하여 모터를 구동시키거나, 제3 에너지 저장부와 제4 에너지 저장부의 직렬상태로 전원을 출력하여 모터를 구동시키며, 회생 시 인버터, 양방향 전력변환장치 및 제2 스위칭부를 제어하여 회생에너지를 직렬상태의 제3 에너지 저장부와 제4 에너지 저장부에 저장하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 제3 에너지 저장부는 슈퍼 커패시터로 구성되고, 제4 에너지 저장부는 제3 에너지 저장부의 전압보다 낮은 전압의 배터리로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 양방향 전력변환장치는, 승강압 양방향 전력변환장치인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 제2 스위칭부는, DC/DC 컨버터의 전원단을 제3 에너지 저장부의 전원단이나 제4 에너지 저장부의 전원단으로 스위칭하는 제2 스위치; DC/DC 컨버터의 접지단을 제3 에너지 저장부의 접지단이나 제4 에너지 저장부의 접지단으로 스위칭하는 제3 스위치; 및 양방향 전력변환장치의 접지단을 제3 에너지 저장부의 접지단이나 제4 에너지 저장부의 접지단으로 스위칭하는 제4 스위치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 하이브리드 에너지 저장창치는 배터리와 슈퍼 커패시터를 하이브리드로 구성하고 단일 전력 변환 장치를 통해 이종 에너지 저장매체의 특성에 따라 충방전이 이루어질 수 있도록 하여 에너지 저장장치의 전체 사이즈를 최소화할 뿐만 아니라 이종 에너지 저장매체의 특성을 모두 활용할 수 있어 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 에너지 저장장치를 나타낸 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 에너지 저장장치를 나타낸 블록 구성도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 하이브리드 에너지 저장장치를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 에너지 저장장치를 나타낸 블록 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 에너지 저장장치는, DC/DC 컨버터(20), 제1 에너지 저장부(60), 제2 에너지 저장부(30), 인버터(80), 전력변환장치(50), 제1 스위칭부(40), 역류차단부(70) 및 제어부(100)를 포함할 수 있다.
DC/DC 컨버터(20)는 추진 동작 시 전력선(10)으로부터 전원을 공급받아 구동전압으로 변환할 수 있다.
제1 에너지 저장부(60)는 DC/DC 컨버터(20)로부터 구동전압을 입력받아 저장하며 추진 동작 시 전원을 출력할 수 있다.
여기서 제1 에너지 저장부(60)는 배터리로 구성되어 부하의 실시간 변동이 크지 않은 기저부하를 담당하도록 할 수 있다.
제2 에너지 저장부(30)는 회생 시 모터(90)로부터 생성되는 회생에너지를 저장할 수 있다.
여기서 제2 에너지 저장부(30)는 입출력 특성이 좋은 슈퍼 커패시터로 구성되어 급변하는 출력부하에 대한 공급을 담당할 수 있다.
인버터(80)는 추진 동작 시 제1 에너지 저장부(60)의 전원을 공급받아 3상 전원으로 변환하여 모터(90)를 구동시키고, 회생 시 모터(90)로부터 생성되는 회생에너지를 정류하여 제2 에너지 저장부(30)에 저장하도록 할 수 있다.
전력변환장치(50)는 추진 동작 시 제2 에너지 저장부(30)의 전원을 승압 변환하여 제1 에너지 저장부(60)로 공급하여 추진에 필요한 에너지를 제1 에너지 저장부와 제2 에너지 저장부를 통해 공급할 수 있도록 한다.
제1 스위칭부(40)는 회생 시 인버터(80)와 제2 에너지 저장부(30) 간 전류패스를 형성하여 모터(90)에서 생성된 회생에너지가 제2 에너지 저장부(30)에 저장되도록 스위칭한다.
여기서, 제1 스위칭부(40)는 바이패스 다이오드(41)와 제1 스위치(42)를 포함할 수 있다.
역류차단부(70)는 회생 시 회생에너지가 제1 에너지 저장부(60)로 흐르지 못하도록 역방향 다이오드가 매개되어 차단할 수 있다.
제어부(100)는 추진 동작 시 전력변환장치(50)와 인버터(80)를 제어하여 모터(90)를 구동시키고, 회생 시 인버터(80)와 제1 스위칭부(40)를 제어하여 회생에너지를 제2 에너지 저장부(30)에 저장할 수 있다.
이와 같은 하이브리드 에너지 저장장치는 추진 동작 시에는 추진에 필요한 에너지를 제1 에너지 저장부(60)의 배터리와 제2 에너지 저장부(30)의 슈퍼 커패시터를 통해 동시에 공급할 수 있어 각각의 에너지 저장매체의 특성에 맞는 에너지를 출력으로 공급할 수 있다. 즉, 출력특성이 우수한 슈퍼 커패시터에서는 급변하는 출력부하에 대한 공급을 담당하고, 에너지 량이 큰 배터리는 부하의 실시간 변동이 크지 않은 기저부하를 담당할 수 있다.
또한, 차량의 회생 시에는 짧은 시간에 큰 에너지(전류)가 모터로부터 에너지 저장장치로 들어오게 되는데, 이와 같이 큰 전력은 바이패스 다이오드(41)를 통해 입출력 특성이 좋은 제2 에너지 저장부(30)의 슈퍼 커패시터에서 받아들여 저장함으로써, 제1 에너지 저장부(60)의 배터리 부담을 최소화 하면서 전력변환장치(50)의 수를 줄일 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 에너지 저장장치를 나타낸 블록 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 에너지 저장장치는 DC/DC 컨버터(20), 제3 에너지 저장부(110), 제4 에너지 저장부(120), 양방향 전력변환장치(140), 인버터(80), 제2 스위칭부(130) 및 제어부(100)를 포함할 수 있다.
DC/DC 컨버터(20)는 추진 동작 시 전력선(10)으로부터 전원을 공급받아 구동전압으로 변환할 수 있다.
제3 에너지 저장부(110)는 DC/DC 컨버터(20)로부터 구동전압을 입력받아 저장하여 추진동작시 전원을 출력하고 회생에너지를 저장할 수 있다.
여기서, 제3 에너지 저장부(110)는 슈퍼커패시터로 구성될 수 있다.
제4 에너지 저장부(120)는 전원단이 제3 에너지 저장부(110)의 접지단과 직렬로 연결되어 에너지 저장장치의 전압을 높게 형성함으로써, 구동전압을 저장하거나 회생에너지를 저장할 때 낮은 전류가 에너지 저장장치에 흐르도록 할 수 있다.
여기서, 제4 에너지 저장부(120)는 제3 에너지 저장부(110)의 전압보다 낮은 전압의 배터리로 구성될 수 있다.
양방향 전력변환장치(140)는 제3 에너지 저장부(110)와 인버터(80) 사이에 매개되어 추진 동작 시나 회생 시 양방향으로 전력을 승강압 변환할 수 있다.
인버터(80)는 추진 동작 시 양방향 전력변환장치(140)에서 출력되는 전원을 공급받아 3상 전원으로 변환하여 모터(90)를 구동시키고, 회생 시 모터(90)로부터 생성되는 회생에너지를 정류하여 양방향 전력변환장치(140)로 출력할 수 있다.
제2 스위칭부(130)는 제4 에너지 저장부(120)를 제3 에너지 저장부(110)와 직렬상태로 DC/DC 컨버터(20)나 양방향 전력변환장치(140)와 선택적으로 연결시키거나 제3 에너지 저장부(110)를 단독으로 연결시킬 수 있다.
여기서, 제2 스위칭부(130)는 DC/DC 컨버터(20)의 전원단을 제3 에너지 저장부(110)의 전원단이나 제4 에너지 저장부(120)의 전원단으로 스위칭하는 제2 스위치(132)와, DC/DC 컨버터(20)의 접지단을 제3 에너지 저장부(110)의 접지단이나 제4 에너지 저장부(120)의 접지단으로 스위칭하는 제3 스위치(134)와, 양방향 전력변환장치(140)의 접지단을 제3 에너지 저장부(110)의 접지단이나 제4 에너지 저장부(120)의 접지단으로 스위칭하는 제4 스위치(136)를 포함할 수 있다.
제어부(100)는 추진 동작 시 제2 스위칭부(130), 양방향 전력변환장치(140) 및 인버터(80)를 제어하여 모터(90)를 구동시키고, 회생 시 인버터(80), 양방향 전력변환장치(140) 및 제2 스위칭부(130)를 제어하여 회생에너지를 제3 에너지 저장부(110)와 제4 에너지 저장부(120)에 저장할 수 있다.
이와 같이 본 실시예에 따른 하이브리드 에너지 저장장치는 제3 에너지 저장부(110)인 슈퍼 커패시터와 제4 에너지 저장부(120)인 배터리를 직렬로 구성함으로써, 이종의 에너지 저장매체를 병렬로 구성하는 방법과 달리 직렬로 구성하여 각 에너지 저장매체의 장점을 최대한 활용할 수 있다.
즉, 배터리와 슈퍼 커패시터를 필요에 따라 직렬 구성하기도 하고 단독으로 구성함으로써, 배터리가 갖는 높은 에너지 밀도를 활용하면서 다수의 셀 간 편차를 줄이기 위한 밸런싱 회로를 추가하지 않으면서 높은 입출력 특성을 갖는 슈퍼 커패시터와 직렬로 연결하여 높은 시스템 전압을 형성할 수 있다.
따라서 회생 시 발생하는 큰 회생에너지를 받아들이기 위해 제3 에너지 저장부(110)인 슈퍼 커패시터와 제4 에너지 저장부(120)인 배터리를 직렬로 연결하면 에너지 저장장치의 전체 시스템 전압이 높아지게 되어 상대적으로 낮은 전류가 에너지 저장장치로 유입되어 배터리에 부담을 최소화 할 수 있다.
또한, 추진 동작 시 필요한 높은 전력을 에너지 저장장치에서 공급할 경우에도, 제3 에너지 저장부(110)와 제4 에너지 저장부(120)를 직렬로 연결하여 에너지 저장장치에서 출력되는 출력 전류를 최소화 할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 하이브리드 에너지 저장장치에 따르면, 하이브리드 에너지 저장창치는 배터리와 슈퍼 커패시터를 하이브리드로 구성하고 단일 전력 변환 장치를 통해 이종 에너지 저장매체의 특성에 따라 충방전이 이루어질 수 있도록 하여 에너지 저장장치의 전체 사이즈를 최소화할 뿐만 아니라 이종 에너지 저장매체의 특성을 모두 활용할 수 있어 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
본 명세서에서 설명된 구현은, 예컨대, 방법 또는 프로세스, 장치, 소프트웨어 프로그램, 데이터 스트림 또는 신호로 구현될 수 있다. 단일 형태의 구현의 맥락에서만 논의(예컨대, 방법으로서만 논의)되었더라도, 논의된 특징의 구현은 또한 다른 형태(예컨대, 장치 또는 프로그램)로도 구현될 수 있다. 장치는 적절한 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어 등으로 구현될 수 있다. 방법은, 예컨대, 컴퓨터, 마이크로프로세서, 집적 회로 또는 프로그래밍 가능한 로직 디바이스 등을 포함하는 프로세싱 디바이스를 일반적으로 지칭하는 프로세서 등과 같은 장치에서 구현될 수 있다. 프로세서는 또한 최종-사용자 사이에 정보의 통신을 용이하게 하는 컴퓨터, 셀 폰, 휴대용/개인용 정보 단말기(personal digital assistant: "PDA") 및 다른 디바이스 등과 같은 통신 디바이스를 포함한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10 : 전력선 20 : DC/DC 컨버터
30 : 제2 에너지 저장부 40 : 제1 스위칭부
50 : 전력변환장치 60 : 제1 에너지 저장부
70 : 역류차단부 80 : 인버터
90 : 모터 100 : 제어부
110 : 제3 에너지 저장부 120 : 제4 에너지 저장부
130 : 제2 스위칭부 140 : 양방향 전력변환장치

Claims (9)

  1. 전력선으로부터 전원을 공급받아 구동전압으로 변환하는 DC/DC 컨버터;
    상기 DC/DC 컨버터로부터 상기 구동전압을 입력받아 저장하며 추진 동작시 전원을 출력하는 제1 에너지 저장부;
    모터로부터 생성되는 회생에너지를 저장하는 제2 에너지 저장부;
    상기 제1 에너지 저장부의 전원을 공급받아 상기 모터를 구동시키고, 상기 모터로부터 생성되는 상기 회생에너지를 상기 제2 에너지 저장부에 저장하는 인버터;
    상기 제2 에너지 저장부의 전원을 변환하여 상기 제1 에너지 저장부로 공급하는 전력변환장치;
    상기 인버터와 상기 제2 에너지 저장부 간 전류패스를 형성하기 위한 제1 스위칭부;
    상기 회생에너지가 상기 제1 에너지 저장부로 흐르지 못하도록 차단하는 역류차단부; 및
    추진 동작 시 상기 전력변환장치와 상기 인버터를 제어하여 상기 모터를 구동시키고, 회생 시 상기 인버터와 상기 제1 스위칭부를 제어하여 상기 회생에너지를 상기 제2 에너지 저장부에 저장하는 제어부를 포함하되,
    상기 제1 에너지 저장부는 배터리로 구성되고, 상기 제2 에너지 저장부는 슈퍼 커패시터로 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 저장장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 역류차단부는, 역방향 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 저장장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제1 스위칭부는, 바이패스 다이오드와 제1 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 저장장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 전력변환장치는, 승압용 전력변환장치인 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 저장장치.
  6. 전력선으로부터 전원을 공급받아 구동전압으로 변환하는 DC/DC 컨버터;
    상기 DC/DC 컨버터로부터 상기 구동전압을 입력받아 저장하여 추진 동작시 전원을 출력하고 회생에너지를 저장하는 제3 에너지 저장부;
    상기 제3 에너지 저장부와 직렬로 연결되어 상기 구동전압을 저장하거나 상기 회생에너지를 저장하는 제4 에너지 저장부;
    상기 제3 에너지 저장부와 인버터 사이에 매개되어 양방향으로 전력을 변환하는 양방향 전력변환장치;
    상기 양방향 전력변환장치에서 출력되는 전원을 공급받아 모터를 구동시키고, 상기 모터로부터 생성되는 상기 회생에너지를 상기 양방향 전력변환장치로 출력하는 인버터;
    상기 제4 에너지 저장부가 상기 제3 에너지 저장부와 직렬상태로 상기 DC/DC 컨버터와 상기 양방향 전력변환장치에 연결되도록 스위칭하거나, 상기 제3 에너지 저장부가 단독상태로 상기 DC/DC 컨버터와 상기 양방향 전력변환장치에 연결되도록 스위칭하는 제2 스위칭부; 및
    추진 동작 시 상기 제2 스위칭부, 상기 양방향 전력변환장치 및 상기 인버터를 제어하여 상기 제3 에너지 저장부의 단독상태로 전원을 출력하여 상기 모터를 구동시키거나, 상기 제3 에너지 저장부와 상기 제4 에너지 저장부의 직렬상태로 전원을 출력하여 상기 모터를 구동시키며, 회생 시 상기 인버터, 상기 양방향 전력변환장치 및 상기 제2 스위칭부를 제어하여 상기 회생에너지를 직렬상태의 상기 제3 에너지 저장부와 상기 제4 에너지 저장부에 저장하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 저장장치.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 제3 에너지 저장부는 슈퍼 커패시터로 구성되고, 상기 제4 에너지 저장부는 상기 제3 에너지 저장부의 전압보다 낮은 전압의 배터리로 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 저장장치.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 양방향 전력변환장치는, 승강압 양방향 전력변환장치인 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 저장장치.
  9. 제 6항에 있어서, 상기 제2 스위칭부는,
    상기 DC/DC 컨버터의 전원단을 상기 제3 에너지 저장부의 전원단이나 상기 제4 에너지 저장부의 전원단으로 스위칭하는 제2 스위치;
    상기 DC/DC 컨버터의 접지단을 상기 제3 에너지 저장부의 접지단이나 상기 제4 에너지 저장부의 접지단으로 스위칭하는 제3 스위치; 및
    상기 양방향 전력변환장치의 접지단을 상기 제3 에너지 저장부의 접지단이나 상기 제4 에너지 저장부의 접지단으로 스위칭하는 제4 스위치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 저장장치.
KR1020190085386A 2019-07-15 2019-07-15 하이브리드 에너지 저장장치 KR102264458B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190085386A KR102264458B1 (ko) 2019-07-15 2019-07-15 하이브리드 에너지 저장장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190085386A KR102264458B1 (ko) 2019-07-15 2019-07-15 하이브리드 에너지 저장장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210009452A KR20210009452A (ko) 2021-01-27
KR102264458B1 true KR102264458B1 (ko) 2021-06-17

Family

ID=74238424

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190085386A KR102264458B1 (ko) 2019-07-15 2019-07-15 하이브리드 에너지 저장장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102264458B1 (ko)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013158232A (ja) 2012-01-05 2013-08-15 Toshiba Corp 電気車制御装置
JP2016220358A (ja) 2015-05-19 2016-12-22 株式会社日立製作所 電気鉄道車両の駆動システム

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101141770B1 (ko) * 2010-10-12 2012-05-11 호남대학교 산학협력단 전기차량의 회생제동장치의 에너지 충방전 제어 장치 및 방법
KR101284896B1 (ko) * 2011-08-18 2013-07-10 한국철도기술연구원 엘리베이터 시스템의 회생 에너지 저장 장치

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013158232A (ja) 2012-01-05 2013-08-15 Toshiba Corp 電気車制御装置
JP2016220358A (ja) 2015-05-19 2016-12-22 株式会社日立製作所 電気鉄道車両の駆動システム

Also Published As

Publication number Publication date
KR20210009452A (ko) 2021-01-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7038469B2 (ja) 複数のエネルギー蓄積装置を有するハイブリッドシステム
US8860359B2 (en) Hybrid energy storage system
US7859202B2 (en) Power management for multi-module energy storage systems in electric, hybrid electric, and fuel cell vehicles
KR101093956B1 (ko) 에너지 저장 시스템
US8040101B2 (en) Alternating current motor drive circuit and electric vehicle drive circuit
JP6742771B2 (ja) エネルギー管理制御のためのマルチソースエネルギー貯蔵システムおよび方法
US6268666B1 (en) Bi-directional power conversion apparatus for combination of energy sources
CN102096456B (zh) 具有太阳能电源单元的计算机***和控制该计算机***的方法
US20210126471A1 (en) System and method for managing charge control of a battery array
JP2015061439A (ja) 電気自動車用急速充電設備および充電設備のエネルギーマネジメント方法
JP2004040994A (ja) 燃料電池ハイブリッド電気自動車の動力分配制御システム及び制御方法
Park et al. Two-stage cell balancing scheme for hybrid electric vehicle Lithium-ion battery strings
US20130038249A1 (en) Drive System and Machine
CN103085675A (zh) 用于选择性地使能源耦合于负载的***及其制造方法
JP2000295715A (ja) 電気自動車の電源システム
KR20160113228A (ko) 차량 전기 시스템
JPWO2010140217A1 (ja) 電源システム
Qi et al. Optimization of centralized equalization systems based on an integrated cascade bidirectional DC–DC converter
JP2006340464A (ja) 電気車
KR102264458B1 (ko) 하이브리드 에너지 저장장치
JP2024028397A (ja) 車両走行システムおよび車両
JP5931366B2 (ja) 電力変換装置
Moo et al. Operation of battery power modules with series output
Park et al. Charge equalization with series coupling of multiple primary windings for hybrid electric vehicle li-ion battery system
JP2008079436A (ja) 電源制御装置

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant