KR20110073089A - 하이브리드 산업용 차량의 배터리 전력제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배터리와 울트라 커패시터를 전원으로 사용하는 하이브리드 산업용 차량에서 울트라 커패시터의 전압을 감안하여 배터리의 출력을 제어하기 위한 장치에 관한 것이다. 이를 위해 본 발명은 배터리와 울트라 커패시터로 구성되고 전력을 제공하는 전력 제공부와, 소정 시간 동안 작업 부하 평균값을 산출하고, 상기 울트라 커패시터 전압값이 미리 설정된 허용 전압 범위를 벗어나면 현재 평균 작업 부하 평균값에 미리 설정된 부하값만큼을 보정하여 상기 울트라 커패시터의 전압이 허용 전압 범위에 속하도록 제어하고, 상기 보정된 작업 부하값을 상기 배터리의 목표 제어값으로 하여 상기 배터리의 출력을 제어하는 제어부를 포함한다.

울트라 커패시터, 2중 전원, 하이브리드, 배터리 출력 제어.

Description

하이브리드 산업용 차량의 배터리 전력제어장치{POWER CONTROL APPARATUS FOR HYBRID INDUSTRIAL VEHICLE}

본 발명은 하이브리드 산업용 차량의 배터리 전력제어장치에 관한 것으로, 특히 배터리(Battery)와 울트라 커패시터(Ultra Capacitor)를 전원으로 사용하는 하이브리드 산업용 차량에서 부하 변경을 추종하되 울트라 커패시터의 전압을 감안하여 배터리 전력을 제어하기 위한 장치에 관한 것이다.

최근에는 유가의 급격한 상승과 함께 엔진의 잉여 동력을 전기 에너지 저장장치에 저장하고, 엔진의 부족한 동력을 전기 에너지 저장장치로부터 공급하여 연비를 개선한 하이브리드 형태의 산업용 차량에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

이러한 하이브리드 산업용 차량의 전기 에너지 저장장치는 배터리와 울트라 커패시터로 구성되어 에너지 효율을 극대화 시킬 수 있도록 각 저장장치의 특성에 맞추어 동력을 제어하고 있다.

배터리는 저장 에너지 밀도가 울트라 커패시터보다 크지만, 출력밀도는 울트라 커패시터가 배터리보다 크다.

이에 따라, 빈번하게 이루어지거나 큰 동력은 울트라 커패시터로부터 전력을 공급하고, 작은 동력과 장기적으로 필요한 대용량의 에너지는 배터리로부터 전력을 공급하고 있다.

한편, 울트라 커패시터로부터 전력을 공급할 때 울트라 커패시터가 출력 가능한 한계 최대 전압값을 넘어가도록 배터리 및 울트라 커패시터의 출력이 제어되거나, 장비 안전을 위해 설정된 최소 전압값보다 작게 출력되는 경우가 발생한다. 최대 전압값은 물리적으로 커패시터가 출력할 수 있는 최대 전압값을 의미하며 이보다 큰 전압을 출력하도록 제어장치들이 제어하더라도 요청된 출력보다 낮은 출력에 의해 장비를 이용한 작업효율이 나빠지는 문제가 있다. 반대로, 최저 전압값이 출력되도록 제어될 경우에는 울트라 커패시터로 회생전력이 입력될 때 전압차이 때문에 시스템 안정을 저해하는 크기의 전류가 발생된다. 따라서, 이와 같이 울트라 커패시터의 전압값이 하드웨어적 한계 최대 전압값을 넘어서거나, 하드웨어적 한계 최소 전압값을 넘어서게되면 시스템적으로 문제가 발생한다.

그러나, 현재에는 단순히 작업 부하에 따라서만 배터리 전력을 제어하기 때문에 울트라 커패시터의 전압값에 대해서는 고려하지 않고 있어 이런 현상이 발생하는 것이다.

이에 따라 배터리 전력 제어 시 작업 부하뿐 아니라, 울트라 커패시터의 전압값도 고려하기 위한 기술 개발이 절실히 요구되고 있다.

따라서 본 발명은 배터리(Battery)와 울트라 커패시터(Ultra Capacitor)를 전원으로 사용하는 하이브리드 산업용 차량에서 울트라 커패시터의 안정적인 제어 및 장비를 이용한 작업효율이 저하되는 것을 방지할 수 있는 배터리 전력을 제어하는 것에 그 목적이 있다.

상기한 바를 달성하기 위한 본 발명에 따른 하이브리드 산업용 차량의 배터리 전력제어장치는 배터리와 울트라 커패시터로 구성되고 전력을 제공하는 전력 제공부와, 소정 시간 동안 작업 부하 평균값을 산출하고, 상기 울트라 커패시터 전압값이 미리 설정된 허용 전압 범위를 벗어나면 현재 평균 작업 부하 평균값에 미리 설정된 부하값만큼을 보정하여 상기 울트라 커패시터의 전압이 상기 허용 전압 범위에 속하도록 제어하고, 상기 보정된 작업 부하값을 상기 배터리의 목표 제어값으로 하여 상기 배터리의 출력을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일례에 따른 배터리 전력제어장치는 상기 배터리로부터 출력되는 직류(DC) 전압을 상기 제어부에 의해 제어된 DC 전압으로 변환시키는 DC/DC 컨버터를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 배터리의 목표 제어값으로 상기 배터리의 출력을 조정하기 위해 상기 DC/DC 컨버터를 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일례에 따라 상기 제어부는, 소정 시간 동안 미리 설정된 측정 주기마다 작업 부하를 측정하여 작업 부하 평균값을 산출하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일례에 따라 상기 허용 전압 범위는 최소 허용 전압값을 하한값으로 최대 허용 전압값을 상한값으로 하는 범위이고,상기 제어부는,상기 울트라 커패시터 전압값이 최대 허용 전압값 이상이면 현재 평균 작업 부하 평균값에 미리 설정된 부하값만큼 음의 보정을 수행하여 상기 배터리의 출력을 증가시켜 상기 울트라 커패시터의 출력전압을 낮추고, 상기 울트라 커패시터 전압값이 최소 허용 전압값 이하이면 현재 평균 작업 부하 평균값에 미리 설정된 부하값만큼 양의 보정을 수행하여 상기 배터리의 출력을 감소시켜 상기 울트라 커패시터의 출력전압을 상승시키도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기한 본 발명에 따르면, 배터리와 울트라 커패시터와 같이 2중 전원을 사용하는 하이브리드 산업용 차량에서 배터리 전력 제어 시 작업 부하의 변경뿐 아니라, 울트라 커패시터의 전압을 감안하여 배터리 전력을 제어함으로써 울트라 커패시터의 전압이 최대 허용치와 최소 허용치를 넘어서지 않도록 할 수 있게 된다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예들의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도면들 중 동일한 구성들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들을 나타내고 있음을 유의하여야 한다. 하기 설명에서 구체적인 특정 사항들이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해 제공된 것이다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적 인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따라 하이브리드 산업용 차량에서 울트라 커패시터의 전압을 고려한 배터리 전력제어장치의 구성이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 전력제어장치는 제어부(100), 배터리(102), DC/DC(Direct Current/Direct Current) 컨버터(104), 인버터(106), 모터(108), 울트라 커패시터(Ultra Capacitor)(110) 및 차량조작부(112)를 포함한다.

배터리(102)와 울트라 커패시터(110)로부터 출력된 직류전력이 인버터(106)로 인가되면, 인버터(106)는 인가된 직류전력을 교류전력으로 변환시킨 후 모터(108)로 공급하여 모터(108)를 구동시킨다.

이때, 도 1와 같은 2중 전원 구조를 가지는 배터리 전력제어장치에서는 배터리(102)에서 가능한 일정한 전력을 출력하도록 하고, 작업 부하가 급격하게 변화하는 경우에는 울트라 커패시터(110)의 전력을 사용하도록 한다.

배터리(102)는 배터리의 출력 변동이 심하면 배터리의 내부 저항에 의한 내부 손실이 크고, 배터리의 수명에도 악영향을 미치기 때문에, 배터리가 일정 출력이 가능하도록 제어한다면 배터리의 사용시간(즉, 작업 차량의 연속 사용 시간) 및 수명을 길게 가져갈 수 있다.

이에 따라 작업 부하가 급격하게 변화하는 경우에는 울트라 커패시터(110)의 전력을 사용하도록 하는 것이다.

따라서, 작업 패턴을 반영하여 DC/DC 컨버터(104) 제어를 통한 배터리(102) 의 출력을 조정할 필요가 발생한다.

이를 위해 본 발명에서 제어부(100)는 차량의 작업 부하를 미리 설정된 주기로 읽어 소정 시간 동안 작업 부하 평균값을 산출한다. 이때, 평균값 산출 시 총 작업 부하 측정값의 개수는 차량의 표준 부하 패턴의 반복 주기에 맞추어 설정하는 것이 바람직하다.

작업 부하 측정은 제어부(100)가 인버터(106)로 인가되는 울트라 커패시터(110)의 출력값을 읽어 현재 작업의 부하를 측정할 수 있다.

그러면, 작업 부하 평균값 산출 방법에 대해서 하기 도 2를 참조하여 살펴본다.

작업 부하 측정 주기를 t라고 하고, 평균을 산출하는 일정 시간을 T라고 하면 작업 부하의 총 측정 샘플 수 N은 T/t가 된다. 이때, 측정 주기 t 및 평균을 산출하는 시간 T는 작업 차량의 부하 특성에 따라 적절하게 설정한다. 부하의 변동이 매우 급격할 경우에는 t를 작게 가져가야 할 것이며, T는 본 제어를 적용하고자 하는 작업 차량의 표준 작업 패턴 1주기로 선정하면 적절할 것이다.

예를 들어, t를 0.1초로 설정하고, T를 100초로 가정할 경우 작업 부하 샘플 수 N은 1000이 된다.

도 2에 도시된 바와 같이 0.1초 주기로 측정된 1000개의 작업 부하값(Pload_1, Pload_2,…, Pload_1000)에 대해서 200과 같이 평균을 산출한다.

이후 새로운 1001번째 작업 부하가 측정되었을 경우에는 201과 같이 가장 과거의 작업 부하값인 Pload_1을 버리고 새로운 작업 부하값인 Pload_1001을 사용하 여 1000개의 샘플의 평균을 산출한다.

상기의 도 2와 같은 방법으로 작업 부하의 평균값이 산출되면, 제어부(100)는 산출한 작업 부하의 평균값을 배터리(102)의 출력 목표값으로 제어한다. 이와 동시에, 제어부(100)는 울트라 커패시터(110)의 전압이 상한값 혹은 하한값에 도달할 경우에는 작업 부하의 평균값에 미리 설정된 보정값만큼 보정을 수행한다. 이와 같이 작업 부하의 평균값에 보정을 함으로써 이후 울트라 커패시터(110)의 전압이 상한치 혹은 하한치에 도달하는 빈도를 감소시키도록 한다.

다시 도 1을 참조하면, 울트라 커패시터(110)는 차량 부하 특성에 맞추어 적절한 전압 범위 및 적절한 용량을 선정하여 적용한다. 단, 용량 선정에 있어서 검토한 차량의 부하 패턴과 실제 차량의 작업 부하 패턴이 같을 수 없기에 실제 차량의 작업 중에 울트라 커패시터(110)의 전압이 상한치 혹은 하한치에 근접할 수가 있다.

울트라 커패시터(110) 전압 범위는 하드웨어적 사양에 의한 상하한치를 기준으로, 상한치는 안전성을 고려하여 최대 전압 사양보다 적정 수준을 낮추어 최대 허용 가능한 전압값으로 설정하며, 하한치는 작업 차량의 최대 부하가 가능한 출력을 발생할 수 있는 최저 허용 가능한 전압값으로 설정하는 것이 바람직하다.

만약, 부하 작업 중에 울트라 커패시터(110)의 전압이 미리 설정한 최대 허용 전압값이나 최소 허용 전압값에 도달하였을 경우, 제어부(100)는 작업 부하 평균값을 보정하는 제어를 수행하여 울트라 커패시터(110) 전압이 허용 범위를 넘어서지 않도록 제어한다. 이렇게 함으로써 울트라 커패시터(110) 전압이 최대/최소 허용 전압값에 도달하는 빈도를 줄일 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명에서는 배터리 전력 제어 시 작업 부하 변경을 추종하여 제어하되, 울트라 커패시터(110)의 전압을 감안하여 배터리 전력을 제어하는 것이다.

이와 같이 울트라 커패시터의 전압을 고려한 배터리 전력 제어 흐름을 도 3의 그래프를 참조하여 살펴본다.

먼저, 304는 샘플 수 N의 작업 부하(Pload) 평균값이고, 306는 샘플 수 N의 작업 부하(Pload) 평균값에 보정값을 반영한 값이다. 또한, 310은 샘플 수 N의 작업 부하(Pload) 평균값에 보정값이 반영된 값을 배터리 출력값(Pbat)의 목표 제어값으로 하는 경우의 울트라 커패시터의 전압값(Vcap)이고, 312는 샘플 수 N의 작업 부하(Pload) 평균값을 배터리 출력값(Pbat)의 목표 제어값으로 하는 경우의 울트라 커패시터의 전압값(Vcap)이다.

만약, n번째 측정 시점에서 평균 부하값을 가지는 지점(300)에서 A와 같이 울트라 커패시터(110)의 전압(Vcap)이 미리 설정된 최대 허용 전압값(Vcap_max)이 되었다면, n+1 번째 측정 시점에서 평균 부하값을 산출할 때에는 산출된 작업 부하 평균값에 미리 설정된 보정값을 반영하는 보정을 수행한다.

이때, n+1 번째 측정 시점에서의 평균 부하값 보정은 하기의 <수학식 1>과 같이 수행할 수 있다.

(Average of Pload @ step = n+1) - Pcomp

이때, “Average of Pload @ step = n+1”는 n+1 번째 측정 시점에서 산출한 평균 부하값이고, “Pcomp”는 미리 설정된 보정값이다. 여기서, 미리 설정된 보정값은 시스템 변수로 이루어진 함수가 될 수도 있으며, 혹은 적정한 고정값일 수도 있다.

이후 소정 측정 시점에서 평균 부하값을 가지는 지점(301)에서 B와 같이 울트라 커패시터(110)의 전압(Vcap)이 다시 미리 설정된 최대 허용 전압값(Vcap_max)이 되었다면, 산출한 작업 부하 평균값에 미리 설정된 보정값을 반영하는 보정을 수행한다. 그러면 301과 같이 부하값이 미리 설정된 보정값만큼 떨어지게 되고, 울트라 커패시터(110)의 전압값도 최대 허용 전압값 이하로 떨어지는 것을 알 수 있다.

도 3의 실시 예에서는 울트라 커패시터(110)의 전압이 최대 허용 전압값에 도달할 시 작업 부하 평균치에 보정을 수행하는 경우에 대하여 설명하였다.

이와 반대로 울트라 커패시터(110)의 전압이 미리 설정된 한계 최소 전압값에 도달하였을 경우에는 작업 부하 평균치에 양의 보정을 수행하여 울트라 커패시터(110)의 전압이 허용 전압 범위 내에 포함되도록 한다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따라 울트라 커패시터의 전압을 고려하여 배터리의 전력을 제어하는 과정을 나타내는 흐름도이다.

소정 시간 동안 작업 부하 평균값을 계산한다.(S400)

이후, 울트라 커패시터 전압값이 최대 허용 전압값 이상이거나 최소 허용 전압값 이하인지를 검사한다.(S402, S410) 즉, 울트라 커패시터 전압값이 미리 설정된 허용 범위를 벗어나는지를 검사하는 것이다.

만약, 울트라 커패시터 전압값이 최대 허용 전압값 이상이면 현재 작업 부하 평균값에 음의 보정을 수행하고(S404), 울트라 커패시터 전압값이 최소 허용 전압값 이하이면 현재 작업 부하 평균값에 양의 보정을 수행한다.(S412)

그러나 만약 울트라 커패시터 전압값이 허용 범위 내에 포함되는 값이라면 보정 없이 S406 단계로 진행한다.

한편, S404 단계와 S 412 단계에서 작업 부하값을 보정한 후 S406 단계로 진행하면, 보정된 작업 부하값을 배터리(102)의 목표 제어값으로 배터리 출력을 조정한다. 이때, 배터리 출력은 상기의 도 1의 설명에서 언급한 바와 같이 제어부(100)가 DC/DC 컨버터를 통해 조정될 것이다.

이후, 작업이 종료되면 종료하고, 그렇지 않으면 S400 단계로 진행하여 계속하여 울트라 커패시터(110)의 전압을 고려하여 배터리의 전력을 제어하는 동작을 수행한다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 산업용 차량에서 울트라 커패시터의 전압을 고려한 배터리 전력제어장치의 구성도,

도 2는 본 발명의 실시 예에 따라 작업 부하의 평균값을 산출하기 위한 방식을 나타내는 예시도,

도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 울트라 커패시터의 전압을 고려한 배터리 전력 제어를 설명하기 위한 그래프,

도 4는 본 발명의 실시 예에 따라 울트라 커패시터의 전압을 고려하여 배터리의 전력을 제어하는 과정을 나타내는 흐름도.

<도면의 주요 참조부호에 대한 설명>

100: 제어부 102: 배터리

104: DC/DC 컨버터 106: 인버터

108: 모터 110: 울트라 커패시터

112: 차량 조작부 120: 전력 제공부

Claims (4)

1. 배터리와 울트라 커패시터로 구성되고 전력을 제공하는 전력 제공부와,

   소정 시간 동안 작업 부하 평균값을 산출하고, 상기 울트라 커패시터 전압값이 미리 설정된 허용 전압 범위를 벗어나면 현재 평균 작업 부하 평균값에 미리 설정된 부하값만큼을 보정하여 상기 울트라 커패시터의 전압이 상기 허용 전압 범위에 속하도록 제어하고, 상기 보정된 작업 부하값을 상기 배터리의 목표 제어값으로 하여 상기 배터리의 출력을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 산업용 차량의 배터리 전력제어장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 배터리로부터 출력되는 직류(DC) 전압을 상기 제어부에 의해 제어된 DC 전압으로 변환시키는 DC/DC 컨버터를 더 포함하고,

   상기 제어부는 상기 배터리의 목표 제어값으로 상기 배터리의 출력을 조정하기 위해 상기 DC/DC 컨버터를 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 산업용 차량의 배터리 전력제어장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,

   소정 시간 동안 미리 설정된 측정 주기마다 작업 부하를 측정하여 작업 부하 평균값을 산출하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 산업용 차량의 배터리 전력제어 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 허용 전압 범위는 최소 허용 전압값을 하한값으로 최대 허용 전압값을 상한값으로 하는 범위이고,

   상기 제어부는,

   상기 울트라 커패시터 전압값이 최대 허용 전압값 이상이면 현재 평균 작업 부하 평균값에 미리 설정된 부하값만큼 음의 보정을 수행하여 상기 배터리의 출력을 증가시켜 상기 울트라 커패시터의 출력전압을 낮추고,

   상기 울트라 커패시터 전압값이 최소 허용 전압값 이하이면 현재 평균 작업 부하 평균값에 미리 설정된 부하값만큼 양의 보정을 수행하여 상기 배터리의 출력을 감소시켜 상기 울트라 커패시터의 출력전압을 상승시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 산업용 차량의 배터리 전력제어장치.

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