KR20180101990A - 하이브리드 전원공급장치 및 전동식 보드 - Google Patents

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김영규
김형달
성동길
김도영
김광종
홍상휘
이천
이준숭
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Abstract

본 발명은 대용량의 커패시터를 회로에 추가함으로써 고르지 못한 전력 공급과 부하의 변동으로 인하여 발생하는 전동식 보드의 전력부족 및 순간적인 전압 강하를 방지하고, 한편으로는 배터리의 열을 외부로 방출하면서도 방수기능을 수행할 수 있도록 한 하이브리드 전원공급장치 및 전동식 보드를 제안한다. 상기 하이브리드 전원공급장치는, 리튬이온전지 팩, 커패시터 팩, 셀 밸런스 유닛. 방열판 및 케이스를 포함한다.

Description

하이브리드 전원공급장치 및 전동식 보드{Hybrid power supply unit for electric skateboard and electric skateboard using the unit}
본 발명은 전동식 보드에 사용되는 전원공급장치에 관한 것으로, 특히, 대용량의 커패시터를 회로에 추가함으로써 고르지 못한 전력 공급과 부하의 변동으로 인하여 발생하는 전동식 보드의 전력부족 및 순간적인 전압 강하를 방지하고, 한편으로는 배터리의 열을 외부로 방출하면서도 방수기능을 수행할 수 있도록 한 하이브리드 전원공급 장치 및 상기 하이브리드 전원공급장치를 사용하는 전동식 보드에 관한 것이다.
일반적으로 스케이트 보드는 발판 및 발판의 저면에 부착된 휠(wheel)을 포함하며, 2개의 휠이 하나의 쌍을 이루어 발판의 전방 및 후방에 각각 부착되어 있다. 스케이트 보드의 동작 원인을 기준으로 사용자가 직접 발을 굴리면 보드를 이동시키는 수동식 보드와 전기의 힘으로 움직이는 전동식 보드로 구분할 수 있다.
오르막길에서는 타고 이동이 어려운 수동식 보드에 비해 전동식 보드는 전력의 도움으로 오르막길을 쉽게 주행할 수 있으며, 전기를 이용한 브레이크를 사용하여 내리막길에서도 안전하게 주행할 수 있다는 장점이 있으며, 전기에너지를 사용하여 구동하기 때문에 이산화탄소의 배출이 없는 친환경 운송수단이라는 장점이 있다.
현재 유통되고 있는 전동식 보드는 최대 출력이 300~400W(Watts) 정도 수준인데, 경사가 심한 경우에는 출력이 부족하여 오르막 방향으로 이동하는 것이 원활하지 못하거나, 배터리 시스템의 과부하로 인하여 배터리 시스템의 보호회로가 셧 다운(shut down)되는 현상이 발생한다는 문제가 있다.
도 1은 전동식 보드에 장착된 배터리 시스템의 출력전압의 변동을 시간별로 나타낸다.
도 1의 그래프에서 x축은 시간(time) 그리고 y축은 배터리 시스템의 출력 전압(Volts)을 각각 나타낸다. 전동식 보드(미도시)가 동작하지 않고 정지해 있을 때(0~t1)에는 배터리 시스템의 출력전압은 약 30V가 되며, 전동식 보드의 작동을 시작하면(t1) 지면과의 정지 마찰력을 극복하기 위해 필요한 상당한 전력의 공급 때문에 순간적인 전압강하가 발생하여 출력전압이 30V 이하로 강하된 후 다시 서서히 증가하면서 전동식 보드의 속도가 일정한 속도로 되면(t2) 스탠바이(standby) 상태 전압인 30V를 넘어 42V가 된다.
전동식 보드가 평탄한 길을 운행하는 도중에는 배터리 시스템에서 42V의 전압을 출력하겠지만, 약한 오르막 길을 운행하게 되는 때에는 오르막의 시작부터 오르막이 해소될 때까지(t2~t3 & t4~t5) 배터리 시스템의 출력전압이 42V에서 강하되며, 다시 평탄한 도로를 주행하게 될 때(t3~t4)에는 배터리 시스템의 출력 전압이 다시 42V로 회복된다.
오르막 길의 경사도에 따라 강하되는 전압의 크기가 서로 다른데, 경사도가 상대적으로 적을 때(t2~t3)에 비해 경사도가 급할 때(t4~t5)의 경우 소모 전력이 증가하기 때문에 전압강하가 더 크다는 것을 알 수 있다.
이는 종래의 전동식 보드에서 사용하는 전지가 리튬이온전지이기 때문인데, 리튬이온전지만을 사용하는 경우 순간 피크 출력 대응에 한계가 있으며, 순간 피크 출력이 반복적으로 발생하는 경우 리튬이온전지의 수명단축과 회로의 손상으로 이어지는 문제가 있다.
또한, 전동식 보드를 사용할 때 배터리 시스템을 구성하는 리튬이온전지에서는 상당한 양의 열을 발생하는데, 리튬이온전지를 덮고 있는 케이스에 홀을 형성시킴으로써 홀을 관통하는 외부의 차가운 공기를 이용하여 리튬이온전지에서 발생하는 열을 방출시키고 있다. 케이스에 형성되어 있는 홀은 전동식 보드가 물웅덩이를 통과할 때 공기 외에 물도 같이 유입되는 문제가 있어, 리튬이온전지의 단락이 발생하여 전동식 보드의 고장의 원인을 제공하기도 한다.
대한민국 등록특허 10-1684602호(2016년12월2일)는 전동장치가 부착된 주행용 보드에 관한 것인데, 주행용 수동식 보드에 전동장치를 탈착하여 사용자의 선택에 따라 전동식 보드로 사용할 수 있도록 한다. 배터리(122)와 케이스부(121) 사이의 공간을 통해 외부 공기가 유입되기도 하지만, 상술한 바와 같이 전동식 보드가 물웅덩이를 통과할 때 물도 같이 유입되어 배터리(122)에 영향을 미칠 수 있는 단점이 있다는 것을 쉽게 알 수 있다.
대한민국 등록특허 10-1703940호(2017년2월1일)
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 대용량의 커패시터를 회로에 추가함으로써 고르지 못한 전력 공급과 부하의 변동으로 인하여 발생하는 전동식 보드의 전력부족 및 순간적인 전압 강하를 방지하고, 한편으로는 배터리의 열을 외부로 방출하면서도 방수기능을 수행할 수 있도록 한 하이브리드 전원공급장치를 제공 하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 상기 하이브리드 전원공급장치를 사용하는 전동식 보드를 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 하이브리드 전원공급장치는, 리튬이온전지 팩, 커패시터 팩, 셀 밸런스 유닛. 방열판 및 케이스를 포함한다. 상기 리튬이온전지 팩은 복수의 리튬이온전지를 직렬 또는 병렬로 연결하여 필요한 크기의 전압준위를 생성한다. 상기 커패시터 팩은 복수의 커패시터를 직렬로 연결한 것으로, 2개의 단자는 상기 리튬이온전지 팩의 양의 단자 및 음의 단자에 각각 연결된다. 상기 셀 밸런스 유닛은 상기 리튬이온전지 팩을 구성하는 복수의 리튬이온전지의 양단자 전압 편차를 관리하여, 상기 리튬이온전지 팩을 구성하는 리튬이온전지의 과방전의 방지하는 기능, 상기 복수의 리튬이온전지 사이의 전압 편차가 발생할 때 저항을 이용하여 출력전압이 높은 리튬이온전지를 더 방전시키는 기능, 상기 커패시터 팩의 과충전의 방지 기능을 수행한다. 상기 방열판은 상기 리튬이온전지 팩에 접촉하여 상기 리튬이온전지 팩으로부터 발생하는 열을 방출하는 기능을 수행한다. 상기 케이스는 상기 리튬이온전지 팩, 사기 커패시터 팩 및 상기 셀 밸런스 유닛을 내부에 장착하며, 외부에 상기 방열판이 장착되며, 전동식 보드의 하부에 장착된다. 상기 방열판은 상기 케이스의 내부를 외부와 밀폐시키는 기능을 더 수행한다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 전동식 보드는, 청구항 제1항 내지 제4항 중 하나의 항에 기재된 상기 하이브리드 전원공급장치를 사용한다.
본 발명에 따른 하이브리드 전원공급 장치 및 상기 하이브리드 전원공급장치를 사용하는 전동식 보드는 대용량의 커패시터를 회로에 추가함으로써 고르지 못한 전력 공급과 부하의 변동으로 인하여 발생하는 전동식 보드의 전력부족 및 순간적인 전압 강하를 방지하고, 한편으로는 배터리의 열을 외부로 방출하면서도 방수기능을 수행할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 전동식 보드에 장착된 배터리 시스템의 출력전압의 변동을 시간별로 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 전원공급장치의 구성을 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 전원공급장치를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 전원공급장치를 전동식 보드에 장착한 상태에서의 내부를 설명한다.
도 5는 케이스에 리튬이온전지가 배열된 상태를 나타낸다.
도 6은 저율 및 고율 방전시 전압의 낙차를 비교한 그래프이다.
도 7은 전동식 보드에 장착된 커패시터 팩을 사용한 하이브리드 전원공급장치를 사용하였을 때 리튬이온전지 팩의 출력전압의 변동을 시간별로 나타낸다.
도 8은 본 발명에 따른 하이브리드 전원공급장치를 장착한 상태의 사시도이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 예시적인 실시 예를 설명하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 전원공급장치의 구성을 나타낸다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 하이브리드 전원공급장치(200)는, 케이스(210), 리튬이온전지 팩(220), 셀 밸런스 유닛(230), 커패시터 팩(240) 및 방열판(250)을 포함한다.
리튬이온전지 팩(220)은 복수의 전지를 직렬 또는 병렬로 연결하여 필요한 크기의 전압준위를 생성하도록 한다. 설명의 편의를 위해, 도 2에 도시된 리튬이온전지 팩(220)에는 정격 출력 전압이 3.6V(Volts)이고 완전충전시 출력 전압이 4.2V인 10개의 리튬이온전지가 직렬로 연결되어 있으며, 따라서 리튬이온전기 팩(220)의 사용전압의 범위가 30~42V가 된다. 하나의 리튬이온전지 팩(220)을 직렬로 연결하여 사용하면 사용전압의 범위를 2배로 할 수 있으며, 병렬로 연결한다면 사용기간을 더 늘릴 수 있을 것이다. 리튬이온전지 팩(220)의 크기나 리튬이온전지의 각각의 성능은 필요에 따라 선택하여 사용할 수 있으므로 여기서는 언급하지 않는다. 리튬이온전지의 정격 출력 전압이 3.6V이므로, 리튬이온전지 팩(220)을 가장 오랫동안 사용할 수 있는 출력전압은 36V가 될 것이다. 이 36V를 공칭전압이라고 가정한다.
셀 밸런스 유닛(230)은 리튬이온전지 팩(220)을 구성하는 복수의 전지의 양단자 전압 편차를 관리하여, 리튬이온전지 팩(220)을 구성하는 리튬이온전지의 과방전의 방지, 리튬이온전지 사이의 전압 편차가 발생할 때 저항을 이용하여 출력전압이 높은 리튬이온전지를 더 방전시키고, 후술하는 커패시터 팩(240)의 과충전의 방지 기능을 수행한다. 셀 밸런싱은, 예를 들면, 패시브 밸런싱(Passive balancing) 방식으로 구현할 수 있다.
커패시터 팩(240)의 2개의 단자는 리튬이온전지 팩(220)의 양의 단자 및 음의 단자에 각각 연결되어, 리튬이온전지 팩(220)의 출력전압이 펄스 형태로 급격하게 변하는 것을 방지하고, 내부에 충전된 전기 에너지를 전동식 보드에 공급할 수 있도록 한다. 커패시터 팩(240)은 정전용량(capacitance)이 10F(Farad)이고 정격 출력 전압이 3V인 단위 커패시터를 15개 직렬로 연결한 것으로 정격전압은 45V이다. 본 발명의 효과를 실험하는 과정에서 얻은 바로는 커패시터 팩(240)의 순간 최대출력전력이 1000W(Watts)인 것이 가장 좋은 시험결과를 만들었다. 특히, 셀 밸런스 유닛(230)에서 나온 출력단자와 커패시터 팩(240)에서 나오는 단자가 서로 병렬로 연결되어 있으며, 커패시터 팩(240)의 충전 전압은 셀 밸런스 유닛(230)의 출력단자의 전압보다 높게 유지할 수 있도록 커패시터 팩(240)의 최대 충전전압이 42V가 아니고 45Vrk 되도록 구성하는 것이 바람직하다.
방열판(250)은 리튬이온전지 팩(220)에 접촉하여 리튬이온전지 팩(220)으로부터 발생하는 열을 방출하는 기능을 수행한다. 통기 구멍으로 통해 유입되는 공기를 이용하여 리튬이온전지에서 발생하는 열을 방출하는 방식이 아니라, 열전달효율이 높은 재질을 가진 플레이트를 리튬이온전지 팩(220)과 접촉하고, 플레이트의 외면으로 리튬이온전지의 열을 방출시킴과 동시에 플레이트의 외부의 흐르는 공기를 이용하여 플레이트의 온도를 추가로 낮출 수 있다는 장점이 있다는 것은 쉽게 예상할 수 있을 것이다. 케이스(210)의 외부에 설치되면서 케이스(210)의 내부를 밀폐할 수 있기 때문에, 전동식 보드가 물웅덩이를 통과하더라고 물이 케이스(210)의 내부로 유입되는 것을 억제할 수 있다.
리튬이온전지 팩(220), 셀 밸런스 유닛(230) 및 커패시터(240)는 케이스(210)의 내부에 설치되고, 일면이 리튬이온전지 팩(220)에 접하는 방열판(250)은 케이스(210)의 표면에 설치된다. 특히 리튬이온전지 팩(220)은 케이스(210)의 내면에 설치된 리튬이온전지 팩 고정 돌기 (221)을 이용하면 쉽게 케이스(210)의 내부에 고정시킬 수 있을 것이다.
전동식 보드를 전기 에너지를 이용하여 구동시키기 위해서는, 상기의 구성요소 이외에도 전원컨트롤러, 구동모터, 기어 및 샤프트 등이 더 필요하지만, 이러한 구성은 본 발명의 대상이 아니며, 일반적으로 사용하고 있는 것을 그대로 채용하면 되므로, 여기서는 자세하게 설명하지 않는다.
도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 전원공급장치를 나타낸다.
도 3의 상부에는 하이브리드 전원공급장치의 하부에서 본 것을 나타내고, 도 3의 하부에는 하이브리드 전원공급장치의 측면에서 본 것을 나타낸다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 하이브리드 전원공급장치(200)는 리튬이온전지 팩 고정 돌기(221)에 의해 케이스(210)의 내부에 장착된 리튬이온전지 팩(220), 리튬이온전지 팩(220)의 일 측에 셀 밸런스 유닛(230)이 설치되어 있으며, 리튬이온전지 팩(220)의 일 측에는 방열판(250)이 설치되어 있다는 것을 알 수 있다. 케이스(210)의 측면에는 전원 버튼(260)이 설치되어 있다.
도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 전원공급장치를 전동식 보드에 장착한 상태에서의 내부를 설명한다.
도 4의 상부에는 전동식 보드의 하부에서 본 것을 나타내고, 도 4의 중앙부에는 하이브리드 전원공급장치(200)를 구성하는 리튬이온전지 팩(220)의 구체적인 예를 나타낸 것이고, 도 4의 하부에는 리튬이온전지 팩(220)을 구성하는 10개의 리튬이온전지가 직렬로 연결되어 있는 상태를 각각 나타낸다.
도 4를 참조하면, 전동식 보드 데크(300)의 하부 면 중, 전동식 보드 데크(300)의 하부 가장자리 4군데에는 4개의 바퀴(310)가 그리고 전동식 보드 데크(300) 하부의 중앙부에는 하이브리드 전원공급장치(200)가 각각 설치되어 있다는 것을 확인할 수 있다.
도 5는 케이스에 리튬이온전지가 배열된 상태를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 10개의 리튬이온전지가 배열되어 있으며, 도 4를 참조하면, 하나의 리튬이온전지의 양의 단자는 앞에 위치하는 리튬이온전지의 음의 단자에 연결되고 음의 단자는 뒤에 위치하는 리튬이온전지의 양의 단자에 연결되며, 이들을 확장한다면 10개의 리튬이온전지가 서로 직렬로 연결할 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 6은 저율 및 고율 방전시 전압의 낙차를 비교한 그래프이다.
도 6을 참조하면, 저율 방전시보다 고율 방전시 초기 전압의 강하가 크게 일어난다는 것을 알 수 있고, 본 발명에 따른 커패시터 팩(240)은 초기 전압 낙차 부분을 보완하기 위해서 사용한 것이다.
도 7은 전동식 보드에 장착된 커패시터 팩을 사용한 하이브리드 전원공급장치를 사용하였을 때 리튬이온전지 팩의 출력전압의 변동을 시간별로 나타낸다.
도 7을 참조하면, 도 1에 나타난 고르지 못한 전력공급과 급격한 부하의 변동으로 발생하는 전동식 보드의 전력 부족 및 순간적인 전압강하가 발생하는 부분(화살표)이 개선되었다는 것을 알 수 있다. 이는 해당 구간에서의 전력 보충 및 안정되게 전류를 공급하는 커패시터 팩(240)의 역할 때문이라는 것을 쉽게 알 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 하이브리드 전원공급장치를 장착한 상태의 사시도이다.
이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 기술자라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방 가능함은 명백한 사실이다.
210: 케이스 220: 리튬이온전지 팩
221: 리튬이온전지 팩 고정 돌기
230: 셀 밸런스 유닛 240: 커패시터
250: 방열판 260: 전원버튼
400: 전동식 보드

Claims (5)

  1. 복수의 리튬이온전지를 직렬 또는 병렬로 연결하여 필요한 크기의 전압준위를 생성하는 리튬이온전지 팩;
    복수의 커패시터를 직렬로 연결한 것으로, 2개의 단자는 상기 리튬이온전지 팩의 양의 단자 및 음의 단자에 각각 연결된 커패시터 팩;
    상기 리튬이온전지 팩을 구성하는 복수의 리튬이온전지의 양단자 전압 편차를 관리하여, 상기 리튬이온전지 팩을 구성하는 리튬이온전지의 과방전의 방지하는 기능, 상기 복수의 리튬이온전지 사이의 전압 편차가 발생할 때 저항을 이용하여 출력전압이 높은 리튬이온전지를 더 방전시키는 기능, 상기 커패시터 팩의 과충전의 방지 기능을 수행하는 셀 밸런스 유닛; 및
    상기 리튬이온전지 팩에 접촉하여 상기 리튬이온전지 팩으로부터 발생하는 열을 방출하는 기능을 수행하는 방열판; 및
    상기 리튬이온전지 팩, 사기 커패시터 팩 및 상기 셀 밸런스 유닛을 내부에 장착하며, 외부에 상기 방열판이 장착되며, 전동식 보드의 하부에 장착되는 케이스; 를 포함하며,
    상기 방열판은 상기 케이스의 내부를 외부와 밀폐시키는 기능을 더 수행하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전원공급장치.
  2. 제1항에서, 상기 리튬이온전지 팩을 구성하는 복수의 리튬이온전지는,
    정격 출력 전압이 3.6V(Volts)이고 완전충전시 출력 전압이 4.2V인 것을 특징으로 하는 하이브리드 전원공급장치.
  3. 제1항에서, 상기 커패시터 팩을 구성하는 복수의 커패시터는,
    정전용량(capacitance)이 10F(Farad)이고 정격 출력 전압이 3V인 것을 특징으로 하는 하이브리드 전원공급장치.
  4. 제1항에서, 상기 셀 밸런싱 유닛은,
    패시브 밸런싱 방식으로 셀의 밸런싱을 수행하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전원공급장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 하나의 항에 기재된 상기 하이브리드 전원공급장치를 사용하는 전동식 보드.
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WO2022156098A1 (zh) * 2021-01-20 2022-07-28 宁波中车新能源科技有限公司 一种电容模组的均衡模块及其散热方法

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KR101703940B1 (ko) 2016-07-12 2017-02-08 주식회사 보드카 전동보드 및 그 제어방법

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