KR20110073635A - Power transformer for hybrid industrial vehicle - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 하이브리드 산업용 차량의 전력변환장치에 관한 것으로, 상세하게는 하이브리드 전동 지게차의 동작이 개시될 때 전위차에 의해 배터리에서 울트라 커패시터(UC)로 흐르는 돌입전류를 방지하기 위하여 기존의 DC-DC 컨버터를 이용하여 울트라 커패시터로의 초기 충전 동작을 수행할 수 있는 하이브리드 산업용 차량의 전력변환장치에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE
지게차는 화물을 실어 옮기는데 사용되는 산업용 차량이다. 비교적 고중량의 하물을 원하는 위치로 들어올리거나, 제한된 구역 내에서 다른 장소로 운반하는데 사용된다. 지게차는 기본형 지게차와 전동 지게차로 구분된다.Forklift trucks are industrial vehicles used to load cargo. It is used to lift relatively heavy loads to a desired location or to transport them to another location within a limited area. Forklifts are divided into basic forklifts and electric forklifts.
기본형 지게차는 동력원으로 엔진을 사용하여, 엔진으로 유압 펌프를 구동하고, 유압 펌프에서 토출되는 압유로 조향장치의 조향동작 및 작업기의 틸팅/리프팅(Tilting/Lifting) 동작을 수행한다. The basic forklift uses an engine as a power source, drives a hydraulic pump with the engine, and performs a steering operation of a steering device and a tilting / lifting operation of a work machine with a hydraulic oil discharged from the hydraulic pump.
전동 지게차는 동력원으로 배터리를 사용하여, 배터리에 의해 전기 모터가 회전하고 전기 모터의 회전에 의해 펌프 모터가 회전하여, 펌프 모터의 회전에 따 라 유압 펌프가 구동하여 유압 펌프에서 토출된 압유에 의해 조향장치의 조향동작 및 작업기의 틸팅/리프팅 동작을 수행하게 된다. 전동 지게차는 배터리와 전기 모터를 사용하여 매연 및 소음이 적기 때문에 주로 실내에서 많이 사용된다.The electric forklift uses a battery as a power source, the electric motor rotates by the battery, and the pump motor rotates by the rotation of the electric motor. The steering operation of the steering device and the tilting / lifting operation of the work machine are performed. Electric forklifts are mainly used indoors because they use batteries and electric motors to reduce smoke and noise.
이러한 전동 지게차의 동력원인 배터리에 울트라 커패시터(UC)를 추가 사용하여, 배터리와 울트라 커패시터의 협조로 부하의 동력을 분담할 수 있는 하이브리드 전동 지게차가 개발되었다. By using an ultracapacitor (UC) to the battery, which is the power source of the electric forklift, a hybrid electric forklift that can share the power of the load in cooperation with the battery and the ultracapacitor has been developed.
울트라 커패시터는 자체 방전율이 배터리보다 매우 크므로 울트라 커패시터의 완전 방전 상태에서 지게차의 운용을 개시하는 경우, 배터리와 울트라 커패시터의 전위차에 의해 배터리에서 울트라 커패시터로 과대 전류가 흐를 수 있다. 울트라 커패시터로 흐르는 과대 전류를 돌입 전류(inrush current)라고 한다. 이러한 돌입 전류에 의해 울트라 커패시터가 손상될 수 있다. Ultracapacitors have a much higher self-discharge rate than batteries, so when starting the forklift operation in the fully discharged state of the ultracapacitor, an excess current may flow from the battery to the ultracapacitor due to the potential difference between the battery and the ultracapacitor. The excess current flowing to the ultracapacitor is called inrush current. This inrush current can damage the ultracapacitor.
돌입 전류에 의한 울트라 커패시터의 손상을 방지하기 위해, 배터리에서 울트라 커패시터로의 소전류 충전 동작이 필요하다. 이에 따라 종래 하이브리드 전동 지게차의 전력변환장치에서는 별도의 충전 회로를 장착하여 소전류 충전 동작을 수행하였다. 그러나 별도의 충전 회로를 장착해야 하기 때문에 전력변환장치의 생산 비용이 증가하고 전력변환장치 내에 충전 회로의 장착 공간을 확보하기 위한 설계변경을 해야 하는 문제점이 있다. In order to prevent damage to the ultracapacitor by inrush current, a small current charging operation from the battery to the ultracapacitor is required. Accordingly, in the power converter of the conventional hybrid electric forklift truck, a separate charging circuit is mounted to perform a small current charging operation. However, since a separate charging circuit must be installed, there is a problem in that the production cost of the power converter increases and a design change is required to secure a mounting space of the charging circuit in the power converter.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은 저렴하고 간단한 구성으로 안전하게 울트라 커패시터의 초기 충전 동작을 수행할 수 있는 하이브리드 산업용 차량의 전력변환장치를 제공하는 것에 있다. The present invention was devised to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a power converter of a hybrid industrial vehicle capable of safely performing an initial charging operation of an ultracapacitor with a low cost and simple configuration.
이를 위하여, 본 발명에 의한 하이브리드 산업용 차량의 전력변환장치는, 배터리 및 울트라 커패시터를 동력원으로 사용하는 하이브리드 산업용 차량의 전원변환장치에 있어서, 상기 배터리의 전압 레벨을 변경하는 DC-DC 컨버터와, 상기 DC-DC 컨버터에서 출력된 전압 및 상기 울트라 커패시터의 전압을 입력 받아 인터버로 출력하는 DC 링크와, 상기 하이브리드 산업용 차량의 초기 충전 동작 시, 상기 배터리와 상기 DC-DC 컨버터의 출력단을 연결시키고, 상기 울트라 커패시터와 상기 DC-DC 컨버터의 입력단을 연결시키는 스위치부를 포함하는 것을 특징으로 한다.To this end, the power converter of a hybrid industrial vehicle according to the present invention, in the power converter of a hybrid industrial vehicle using a battery and an ultracapacitor as a power source, DC-DC converter for changing the voltage level of the battery, and A DC link that receives the voltage output from the DC-DC converter and the voltage of the ultracapacitor and outputs it to an interleaver, and connects the output terminal of the battery and the DC-DC converter during an initial charging operation of the hybrid industrial vehicle, And a switch unit connecting the ultra capacitor and the input terminal of the DC-DC converter.
상기와 같이, 본 발명은 전력변환장치에 스위치부를 추가하는 것만으로 기존 DC-DC 컨버터를 이용하여 울트라 커패시터의 초기 충전 동작을 수행할 수 있기 때문에, 초기 충전을 위한 별도의 충전 회로가 필요 없고, 이에 따라 전력변환장치의 제작 단가를 낮출 수 있고, 전력변환장치 내 충전 회로 장착을 위한 공간 확보를 위해 전력변환장치의 회로 설계를 할 필요가 없다. As described above, the present invention can perform the initial charging operation of the ultracapacitor using the existing DC-DC converter only by adding a switch unit to the power converter, there is no need for a separate charging circuit for initial charging, Accordingly, the manufacturing cost of the power converter can be lowered, and the circuit design of the power converter is not necessary to secure a space for mounting the charging circuit in the power converter.
또한, 본 발명은 울트라 커패시터의 교체 또는 정비 시 스위치부의 동작에 의해 울트라 커패시터의 잔존 전압이 배터리로 방전되기 때문에, 울트라 커패시터의 잔존 전압에 의한 작업자의 감전 사고를 방지할 수 있는 효과가 있다. In addition, the present invention because the residual voltage of the ultra-capacitor is discharged to the battery by the operation of the switch unit during the replacement or maintenance of the ultra-capacitor, there is an effect that can prevent an electric shock accident of the operator due to the residual voltage of the ultra-capacitor.
이하, 첨부된 도면을 첨부하여 본 발명에 따른 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 구성 및 그에 따른 작용 효과는 이하의 상세한 설명을 통해 명확하게 이해될 것이다. 본 발명의 상세한 설명에 앞서, 동일한 구성요소에 대해서는 다른 도면 상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호로 표시하며, 공지된 구성에 대해서는 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 구체적인 설명은 생략하기로 함에 유의한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The configuration of the present invention and the operation and effect thereof will be clearly understood through the following detailed description. Prior to the detailed description of the present invention, the same components will be denoted by the same reference numerals even if they are displayed on different drawings, and the detailed description will be omitted when it is determined that the well-known configuration may obscure the gist of the present invention. do.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 산업용 차량의 전력변환장치의 개략적인 구성을 나타낸 것이다. 1 illustrates a schematic configuration of a power converter of a hybrid industrial vehicle according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 전력변환장치(40)의 입력단은 배터리(10) 및 울트라 커패시터(20)에 연결되고, 전력변환장치(40)의 출력단은 인버터(30)에 연결된다. 전력변환장치(40)는 배터리(10) 및 울트라 커패시터(20)로부터 전압을 입력받아 소정의 처리를 수행한 후 인버터(30)로 출력한다. 인버터(30)는 전력변환장치(40)로부터 출력된 직류를 교류로 변환하여 부하로 공급한다. Referring to FIG. 1, the input terminal of the
전력변환장치(40)는 배터리(10)의 직류 전압 레벨을 강압 또는 승압하는 DC-DC 컨버터(43), DC-DC 컨버터(43)에서 출력된 전압 및 울트라 커패시터(20)의 전압을 입력 받아 인터버(30)로 출력하는 DC 링크(44), 배터리(10)와 울트라 커패시터(20) 및 DC-DC 컨버터(43) 간의 연결 관계를 설정하는 스위치부(42), 스위치 부(42) 및 DC-DC 컨버터(43)의 동작을 제어하는 제어부(41) 등으로 구성된다.The
하이브리드 전동 지게차가 동작을 개시할 때 울트라 커패시터(20)로 초기 충전 동작이 수행된다. 제어부(41)가 지게차의 동작 개시를 감지하면, 제어부(41)는 스위치부(42)를 제어하여 배터리(10)의 전압이 DC-DC 컨버터(43)를 통해 울트라 커패시터(20)로 충전되도록 한다. The initial charging operation is performed with the
스위치부(42)는 배터리(10)와 DC-DC 컨버터(42)의 입력단 간에 설치된 제1 스위치(MC1), 울트라 커패시터(20)와 DC-DC 컨버터(42)의 출력단 간에 설치된 제2 스위치(MC2), 제1 스위치(MC1)의 일단과 제2 스위치(MC2)의 타단 간에 설치된 제3 스위치(SR1), 제1 스위치(MC1)의 타단과 제2 스위치(MC2)의 일단 간에 설치된 제4 스위치(SR2)로 구성된다. 여기서, 제1 스위치(MC1) 및 제2 스위치(MC2)는 대전류 도통용 대용량 컨텍터가 사용될 수 있고, 제3 스위치(SR1) 및 제4 스위치(SR2)는 소용량 릴레이가 사용될 수 있다. The
도 2는 본 발명에 의한 전력변환장치의 초기 충전 동작을 나타낸 것이다. 2 illustrates an initial charging operation of the power converter according to the present invention.
도 2를 참조하면, 제1 스위치(MC1) 및 제2 스위치(MC2)는 오프 되고, 제3 스위치(SR1) 및 제4 스위치(SR2)은 온 되어, 배터리(10)와 DC-DC 컨버터(43)의 출력단이 연결되고, 울트라 커패시터(20)와 DC-DC 컨버터(43)의 입력단이 연결된다. 이와 같은 스위치부(42)의 온/오프 동작에 의해, 도 2에 도시된 화살표와 같이, 배터리(10)에서 나온 전류가 DC-DC 컨버터(43)를 통해 울트라 커패시터(20)로 흘러 들어감으로써, 울트라 커패시터(20)로의 초기 충전 동작이 수행된다.Referring to FIG. 2, the first switch MC1 and the second switch MC2 are turned off, and the third switch SR1 and the fourth switch SR2 are turned on, so that the
도 3은 본 발명에 의한 전력변환장치의 정상 운용 동작을 나타낸 것이다. 3 shows normal operation of the power conversion apparatus according to the present invention.
울트라 커패시터(20)로의 초기 충전 동작이 완료되면, 지게차는 배터리(10) 및 울트라 커패시터(20)로부터 전력을 공급받아 정상적인 운용 동작을 시작한다. When the initial charging operation to the
도 3을 참조하면, 제1 스위치(MC1) 및 제2 스위치(MC2)는 온 되고, 제3 스위치(SR1) 및 제4 스위치(SR2)은 오프 되어, 배터리(10)와 DC-DC 컨버터(43)의 입력단이 연결되고, 울트라 커패시터(20)와 DC-DC 컨버터(43)의 출력단이 연결된다. 이와 같은 스위치부(42)의 온/오프 동작에 의해, 배터리(10)에서 나온 전류는 DC-DC 컨버터(43) 및 DC 링크(44)를 거쳐 인버터(30)로 흘러 들어가고, 울트라 커패시터(20)에서 나온 전류는 DC 링크(44)를 거쳐 인버터(30)로 흘러 들어간다. Referring to FIG. 3, the first switch MC1 and the second switch MC2 are turned on, and the third switch SR1 and the fourth switch SR2 are turned off, so that the
도 4는 울트라 커패시터(20)의 교체/정비 시 전력변환장치의 방전 동작을 나타낸 것이다. 4 illustrates a discharge operation of the power converter during the replacement / maintenance of the
작업자가 울트라 커패시터(20)를 교체 또는 정비하기 위해서는 지게차로부터 울트라 커패시터(20)를 분리해야 한다. 울트라 커패시터(20)를 분리할 때 울트라 커패시터(20)에 잔존 전압이 있는 경우, 잔존 전압에 의해 감전 사고가 발생할 수 있다. In order to replace or service the
따라서, 울트라 커패시터(20)의 교체/정비 시, 작업자가 소정의 버튼이나 스위치를 조작하여 교체/정비 모드를 설정하면, 제어부(41)는 스위치부(42)를 제어하여 울트라 커패시터(20)의 전압이 DC-DC 컨버터(43)를 통해 배터리(10)로 방전되도록 한다. Therefore, when replacing / maintenance of the
도 4를 참조하면, 제1 스위치(MC1) 및 제2 스위치(MC2)는 오프 되고, 제3 스위치(SR1) 및 제4 스위치(SR2)은 온 되어, 배터리(10)와 DC-DC 컨버터(43)의 출력 단이 연결되고, 울트라 커패시터(20)와 DC-DC 컨버터(43)의 입력단이 연결된다. 이러한 연결 구조는 초기 충전 동작에서의 연결구조과 동일하다. 다만, 울트라 커패시터(20)에 잔존 전압이 있기 때문에, 도 4에 도시된 화살표와 같이, 울트라 커패시터(20)에서 나온 전류가 DC-DC 컨버터(43)를 통해 배터리(10)로 흘러 들어감으로써, 울트라 커패시터(20)의 방전 동작이 수행될 수 있다. Referring to FIG. 4, the first switch MC1 and the second switch MC2 are turned off, and the third switch SR1 and the fourth switch SR2 are turned on, so that the
도 5는 본 발명에 의한 전력변환장치의 동작 과정을 나타낸 순서도이다.5 is a flowchart illustrating an operation process of a power conversion apparatus according to the present invention.
도 5를 참조하면, 먼저 하이브리드 전동 지게차의 하이브리드 키 스위치를 온 한다(S10). 하이브리드 키 스위치를 온 하면 지게차의 하이브리드 동작이 개시되고, 제어부(41)는 DC 링크(44)에 충전된 전압(V_dc)이 소정의 기준 전압 이상인지를 판단한다(S11). 기준 전압은 일반적으로 배터리 전압의 90% 수준이다. DC 링크 전압이 기준 전압 미만일 경우, DC 링크 전압이 기준 전압 이상이 될 때까지 대기한다. 일정 시간(예를 들어, 5초) 이후에도 DC 링크 전압이 기준 전압에 도달하지 않으면 에러 발생으로 처리한다. Referring to FIG. 5, first, a hybrid key switch of a hybrid electric forklift is turned on (S10). When the hybrid key switch is turned on, the hybrid operation of the forklift is started, and the
DC 링크 전압이 기준 전압 이상일 경우, 제어부(41)는 울트라 커패시터(20) 전압이 기준 전압 이상인지를 판단한다(S12). If the DC link voltage is greater than or equal to the reference voltage, the
울트라 커패시터 전압이 기준 전압 이상인 경우, 제어부(41)는 스위치부(42)를 제어하여 제1 스위치(MC1) 및 제2 스위치(MC2)가 온 된다(S16). 이에 따라, 배터리(10)와 DC-DC 컨버터(43)의 입력단이 연결되고, 울트라 커패시터(20)와 DC-DC 컨버터(43)의 출력단이 연결되어, 초기 충전 동작 없이 바로 정상 운영 동작을 수행한다. When the ultra capacitor voltage is greater than or equal to the reference voltage, the
반면, 울트라 커패시터 전압이 기준 전압 미만인 경우, 제어부(41)는 스위치부(42)를 제어하여 제3 스위치(SR1) 및 제4 스위치(SR2)가 온 된다(S13). 이에 따라, 배터리(10)와 DC-DC 컨버터(43)의 출력단이 연결되고, 울트라 커패시터(20)와 DC-DC 컨버터(43)의 입력단이 연결되어, 울트라 커패시터(20)로의 초기 충전 동작이 수행된다. On the other hand, when the ultra capacitor voltage is less than the reference voltage, the
다음, 제어부(41)는 울트라 커패시터(20)의 전압이 기준 전압 이상이 되는지 판단한다(S14). 울트라 커패시터(20)의 전압이 기준 전압이 도달하지 않으면 계속해서 충전이 수행된다. 울트라 커패시터(20)의 전압이 기준 전압 이상이 되면, 제어부(41)는 제3 스위치(SR1) 및 제4 스위치(SR2)를 오프 하고(S15), 제1 스위치(MC1) 및 제2 스위치(MC2)를 온 한다(S16), 이에 따라, 배터리(10) 및 울트라 커패시터(20)가 부하의 동력을 분담하는 하이브리드 정상 운용 동작을 수행한다. Next, the
본 발명은 하이브리드 전동 지게차의 전력변환장치을 예로 들어 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 배터리 및 울트라 커패시터를 구비한 모든 하이브리드 전기식 산업용 차량의 전력변환장치에 적용 가능한 것이다. 따라서 본 발명의 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다. The present invention has been described by taking a power converter of a hybrid electric forklift as an example, but is not limited thereto, and is applicable to the power converter of all hybrid electric industrial vehicles having a battery and an ultracapacitor. Therefore, the embodiments disclosed in the specification of the present invention are not intended to limit the present invention. The scope of the present invention should be construed by the claims below, and all techniques within the scope equivalent thereto will be construed as being included in the scope of the present invention.
도 1은 본 발명에 의한 전기식 하이브리드 지게차의 전력변환장치의 구성도.1 is a block diagram of a power conversion device of an electric hybrid forklift truck according to the present invention.
도 2는 본 발명에 의한 전력변환장치의 초기 충전 동작을 나타낸 도면.2 is a view showing an initial charging operation of the power converter according to the present invention.
도 3은 본 발명에 의한 전력변환장치의 정상 운용 동작을 나타낸 도면.3 is a view showing the normal operation of the power conversion apparatus according to the present invention.
도 4는 울트라 커패시터의 교체/정비 시 전력변환장치의 방전 동작을 나타낸 도면.Figure 4 is a view showing the discharge operation of the power converter when the replacement / maintenance of the ultracapacitor.
도 5는 본 발명에 의한 전력변환장치의 동작 과정을 나타낸 순서도.Figure 5 is a flow chart showing the operation of the power conversion apparatus according to the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>Description of the Related Art [0002]
10: 배터리 20: 울트라 커패시터(UC)10: Battery 20: Ultra Capacitor (UC)
30: 인버터 40: 전력변환장치30: inverter 40: power converter
41: 제어부 42: 스위치부 41: control unit 42: switch unit
43: DC-DC 컨버터 44: DC 링크43: DC-DC converter 44: DC link
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