KR20210009452A - Hybrid energy storage apparatus - Google Patents

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Abstract

The present invention provides a hybrid energy storage device. The hybrid energy storage device of the present invention comprises: a DC/DC converter which receives power from a power line and converts power into a driving voltage; a first energy storage unit which receives and stores a driving voltage from the DC/DC converter and outputs power during a propulsion operation; a second energy storage unit for storing regenerative energy generated from a motor; an inverter for driving the motor by receiving the power from the first energy storage unit and storing the regenerative energy generated from the motor in the second energy storage unit; a power converting device for converting the power of the second energy storage unit and supplying the converted power to the first energy storage unit; a first switching unit for forming a current path between the inverter and the second energy storage unit; a backflow blocking unit for blocking the regenerative energy from flowing to the first energy storage unit; and a control unit which controls the power converting device and the inverter during the propulsion operation to drive the motor, and controls the inverter and the first switching unit during regeneration to store the regenerative energy in the second energy storage unit. Therefore, energy efficiency can be increased by utilizing all the characteristics of the heterogeneous energy storage media.

Description

하이브리드 에너지 저장장치{HYBRID ENERGY STORAGE APPARATUS}Hybrid energy storage device {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. The present invention relates to a hybrid energy storage device, and more particularly, a hybrid energy capable of charging and discharging according to the characteristics of a heterogeneous energy storage medium through a single power conversion device in an energy storage device comprising a hybrid battery and a super capacitor. It relates to storage devices.

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. Recently, various researches are being conducted to improve energy efficiency across the industry. In the transportation field, the efficiency of existing internal combustion engines is improved or eco-friendly power systems are applied in various ways to reduce carbon emissions.

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. Among them, the method that has received the most widespread attention so far is the method of using a secondary battery to store and reuse the regenerative energy generated during braking, or to apply a large-capacity secondary battery system to replace the internal combustion engine and use it as propulsion power. to be.

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. Currently, batteries with high energy density per volume are widely used as such secondary battery systems, but batteries that undergo chemical reactions have low input/output density characteristics, low input/output density characteristics, short battery life of several thousand cycles, and cell The transition to the battery system is slowing down due to limitations such as safety issues due to liver imbalance.

특히, 배터리가 갖는 낮은 입/출력 밀도 특성은 제동 때 발생하는 회생에너지를 충분히 받아들이지 못하는 제한 요인이 되고 있다. In particular, the low input/output density characteristic of the battery is a limiting factor in not sufficiently accepting the regenerative energy generated during braking.

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. Therefore, in order to solve this problem, a method of absorbing and storing regenerative energy by using a super capacitor having good input/output density characteristics is also being considered. However, in this case, there is a disadvantage that a large-capacity power conversion system is additionally required, and thus the efficiency of the system is lowered and the size of the entire system is increased.

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. In addition, batteries with high energy density are widely applied to energy storage systems requiring large amounts of energy. However, when the cell is manufactured, a difference in characteristics of the battery cells constituting the battery system is caused due to minute differences in the process process and differences in the operating environment, which is acting as a problem that deteriorates the safety of the system.

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. In order to compensate for this problem, a balancing circuit is configured and applied for each battery cell configured in series. However, the cell balancing circuit configured to improve safety increases the complexity of the system and controls the entire system configured in series based on the characteristics of the oldest battery cells, resulting in deterioration of the overall system performance.

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. Accordingly, in the case of an energy storage system using a battery, a system with a high level of 700V or higher adopts a structure in which a power conversion device for boosting is applied between the energy storage system and the inverter. However, power conversion devices that must deliver several MW of propulsion/regenerative energy have many restrictions on application due to the burden of size and weight.

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. In addition, the limited input/output power characteristics of the battery itself compared to a super capacitor are a constraint in properly supplying the largely required propulsion energy for a short period of time and sufficiently receiving and storing regenerative energy during braking.

따라서 이러한 문제점을 해결하기 위해 에너지 저장장치를 전력밀도 특성이 우수한 슈퍼 커패시터와 에너지밀도 특성이 우수한 배터리를 결합하여 구성하는 하이브리드 방식의 에너지 저장장치도 도입되고 있다. Therefore, in order to solve this problem, a hybrid energy storage device in which an energy storage device is configured by combining a super capacitor having excellent power density characteristics and a battery having excellent energy density characteristics has also been introduced.

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. This hybrid method uses a super capacitor with good output characteristics when high power is instantaneously required or supplied from the propulsion inverter in order to reduce the size of the current entering and leaving the battery, and the size of the battery can be reduced and the lifespan can be extended. However, there is a problem in that there is a limit to reducing the size of the entire power conversion device because additional converters are required.

본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허공보 제10-1375652호(2014.03.19. 공고, 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장장치 및 그 방법)에 개시되어 있다. The background technology of the present invention is disclosed in Korean Registered Patent Publication No. 10-1375652 (announced on March 19, 2014, hybrid energy storage device and method thereof in railway power system).

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. The present invention was conceived to improve the above problems, and an object of the present invention according to an aspect is according to the characteristics of heterogeneous energy storage media through a single power conversion device in an energy storage device comprising a hybrid battery and a super capacitor. It is to provide a hybrid energy storage device that allows charging and discharging to occur.

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. A hybrid energy storage device according to an aspect of the present invention includes a DC/DC converter that receives power from a power line and converts it into a driving voltage; A first energy storage unit receiving and storing a driving voltage from a DC/DC converter and outputting power during a propulsion operation; A second energy storage unit for storing regenerative energy generated from the motor; An inverter receiving power from the first energy storage unit to drive the motor, and storing regenerative energy generated from the motor in the second energy storage unit; A power conversion device for converting power from the second energy storage unit and supplying it to the first energy storage unit; A first switching unit for forming a current path between the inverter and the second energy storage unit; A reverse flow blocking unit blocking the regenerative energy from flowing to the first energy storage unit; And a control unit for controlling the power conversion device and the inverter during the propulsion operation to drive the motor, and for storing the regenerative energy in the second energy storage unit by controlling the inverter and the first switching unit during regeneration.

본 발명에서 제1 에너지 저장부는 배터리로 구성되고, 제2 에너지 저장부는 슈퍼 커패시터로 구성되는 것을 특징으로 한다. In the present invention, the first energy storage unit is composed of a battery, and the second energy storage unit is composed of a super capacitor.

본 발명에서 역류차단부는, 역방향 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 한다. In the present invention, the reverse current blocking unit is characterized in that it includes a reverse diode.

본 발명에서 제1 스위칭부는, 바이패스 다이오드와 제1 스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다. In the present invention, the first switching unit is characterized in that it includes a bypass diode and a first switch.

본 발명에서 전력변환장치는, 승압용 전력변환장치인 것을 특징으로 한다. In the present invention, the power conversion device is characterized in that it is a power conversion device for boosting.

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 저장부를 제3 에너지 저장부와 직렬상태로 DC/DC 컨버터나 양방향 전력변환장치와 선택적으로 연결시키는 제2 스위칭부; 및 추진 동작 시 제2 스위칭부, 양방향 전력변환장치 및 인버터를 제어하여 모터를 구동시키고, 회생 시 인버터, 양방향 전력변환장치 및 제2 스위칭부를 제어하여 회생에너지를 제3 에너지 저장부와 제4 에너지 저장부에 저장하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다. A hybrid energy storage device according to another aspect of the present invention includes a DC/DC converter that receives power from a power line and converts it into a driving voltage; A third energy storage unit that receives and stores the driving voltage from the DC/DC converter, outputs power during the propulsion operation, and stores regenerative energy; A fourth energy storage unit connected in series with the third energy storage unit to store driving voltage or regenerative energy; A two-way power conversion device interposed between the third energy storage unit and the inverter to convert power in both directions; An inverter receiving power output from the bidirectional power conversion device to drive the motor, and outputting regenerative energy generated from the motor to the bidirectional power conversion device; A second switching unit selectively connecting the fourth energy storage unit to a DC/DC converter or a bidirectional power conversion device in series with the third energy storage unit; And a second switching unit, a two-way power conversion unit, and an inverter are controlled to drive the motor during the propulsion operation, and the inverter, a two-way power conversion unit, and a second switching unit are controlled during regeneration to convert the regenerative energy into the third energy storage unit and the fourth energy It characterized in that it comprises a; control unit for storing in the storage unit.

본 발명에서 제3 에너지 저장부는 슈퍼 커패시터로 구성되고, 제4 에너지 저장부는 제3 에너지 저장부의 전압보다 낮은 전압의 배터리로 구성되는 것을 특징으로 한다. In the present invention, the third energy storage unit is composed of a super capacitor, and the fourth energy storage unit is composed of a battery having a voltage lower than that of the third energy storage unit.

본 발명에서 양방향 전력변환장치는, 승강압 양방향 전력변환장치인 것을 특징으로 한다. In the present invention, the bi-directional power conversion device is characterized in that it is a step-up and down bi-directional power conversion device.

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. In the present invention, the second switching unit includes: a second switch for switching the power supply terminal of the DC/DC converter to the power supply terminal of the third energy storage unit or the power supply terminal of the fourth energy storage unit; A third switch for switching the ground terminal of the DC/DC converter to the ground terminal of the third energy storage unit or the ground terminal of the fourth energy storage unit; And a fourth switch for switching the ground terminal of the bidirectional power converter to the ground terminal of the third energy storage unit or the ground terminal of the fourth energy storage unit.

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. The hybrid energy storage device according to an aspect of the present invention minimizes the overall size of the energy storage device by configuring a battery and a super capacitor as a hybrid, and allowing charging and discharging according to the characteristics of heterogeneous energy storage media through a single power conversion device. In addition, energy efficiency can be improved by utilizing all the characteristics of heterogeneous energy storage media.

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. 1 is a block diagram showing a hybrid energy storage device according to an embodiment of the present invention.
2 is a block diagram showing a hybrid energy storage device according to another embodiment of the present invention.

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.Hereinafter, a hybrid energy storage device according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In this process, the thickness of the lines or the size of components shown in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of description. In addition, terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present invention and may vary according to the intention or custom of users or operators. Therefore, definitions of these terms should be made based on the contents throughout the present specification.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 에너지 저장장치를 나타낸 블록 구성도이다. 1 is a block diagram showing a hybrid energy storage device according to an embodiment of the present invention.

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. As shown in FIG. 1, a hybrid energy storage device according to an embodiment of the present invention includes a DC/DC converter 20, a first energy storage unit 60, a second energy storage unit 30, and an inverter 80. ), a power conversion device 50, a first switching unit 40, a reverse flow blocking unit 70, and a control unit 100.

DC/DC 컨버터(20)는 추진 동작 시 전력선(10)으로부터 전원을 공급받아 구동전압으로 변환할 수 있다. The DC/DC converter 20 may receive power from the power line 10 and convert it into a driving voltage during a propulsion operation.

제1 에너지 저장부(60)는 DC/DC 컨버터(20)로부터 구동전압을 입력받아 저장하며 추진 동작 시 전원을 출력할 수 있다. The first energy storage unit 60 receives and stores a driving voltage from the DC/DC converter 20 and may output power during a propulsion operation.

여기서 제1 에너지 저장부(60)는 배터리로 구성되어 부하의 실시간 변동이 크지 않은 기저부하를 담당하도록 할 수 있다. Here, the first energy storage unit 60 may be composed of a battery, so that a real-time variation of the load is in charge of a base load that is not large.

제2 에너지 저장부(30)는 회생 시 모터(90)로부터 생성되는 회생에너지를 저장할 수 있다. The second energy storage unit 30 may store regenerative energy generated from the motor 90 during regeneration.

여기서 제2 에너지 저장부(30)는 입출력 특성이 좋은 슈퍼 커패시터로 구성되어 급변하는 출력부하에 대한 공급을 담당할 수 있다. Here, the second energy storage unit 30 is composed of a super capacitor having good input/output characteristics and may be responsible for supplying an output load that changes rapidly.

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. During the propulsion operation, the inverter 80 receives power from the first energy storage unit 60 and converts it into three-phase power to drive the motor 90, and rectifies the regenerative energy generated from the motor 90 during regeneration. 2 It can be stored in the energy storage unit 30.

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. The power conversion device 50 boosts and converts the power of the second energy storage unit 30 during the propulsion operation and supplies the power to the first energy storage unit 60 to store energy required for propulsion in the first energy storage unit and the second energy storage unit. Make it possible to supply through wealth.

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. The first switching unit 40 forms a current path between the inverter 80 and the second energy storage unit 30 during regeneration so that the regenerative energy generated by the motor 90 is stored in the second energy storage unit 30. Switch.

여기서, 제1 스위칭부(40)는 바이패스 다이오드(41)와 제1 스위치(42)를 포함할 수 있다. Here, the first switching unit 40 may include a bypass diode 41 and a first switch 42.

역류차단부(70)는 회생 시 회생에너지가 제1 에너지 저장부(60)로 흐르지 못하도록 역방향 다이오드가 매개되어 차단할 수 있다. The reverse current blocking unit 70 may be blocked by a reverse diode so that regenerative energy cannot flow to the first energy storage unit 60 during regeneration.

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. The control unit 100 drives the motor 90 by controlling the power conversion device 50 and the inverter 80 during a propulsion operation, and controls the inverter 80 and the first switching unit 40 during regeneration to generate regenerative energy. It may be stored in the second energy storage unit 30.

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. Such a hybrid energy storage device can simultaneously supply energy required for propulsion through the battery of the first energy storage unit 60 and the super capacitor of the second energy storage unit 30 during propulsion operation. Energy suitable for characteristics can be supplied as output. That is, a supercapacitor having excellent output characteristics may be responsible for supplying an output load that changes rapidly, and a battery having a large amount of energy may be responsible for a base load in which real-time fluctuations of the load are not large.

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. In addition, when the vehicle is regenerated, a large amount of energy (current) is supplied from the motor to the energy storage device in a short time. As such, the second energy storage unit 30 having good input/output characteristics through the bypass diode 41. ) By receiving and storing the super capacitor, it is possible to reduce the number of power conversion devices 50 while minimizing the battery burden of the first energy storage unit 60.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 에너지 저장장치를 나타낸 블록 구성도이다. 2 is a block diagram showing a hybrid energy storage device according to another embodiment of the present invention.

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. As shown in Figure 2, the hybrid energy storage device according to another embodiment of the present invention includes a DC/DC converter 20, a third energy storage unit 110, a fourth energy storage unit 120, and a bidirectional power conversion device. 140, an inverter 80, a second switching unit 130, and may include a control unit 100.

DC/DC 컨버터(20)는 추진 동작 시 전력선(10)으로부터 전원을 공급받아 구동전압으로 변환할 수 있다. The DC/DC converter 20 may receive power from the power line 10 and convert it into a driving voltage during a propulsion operation.

제3 에너지 저장부(110)는 DC/DC 컨버터(20)로부터 구동전압을 입력받아 저장하여 추진동작시 전원을 출력하고 회생에너지를 저장할 수 있다. The third energy storage unit 110 receives and stores a driving voltage from the DC/DC converter 20 to output power during a propulsion operation and store regenerative energy.

여기서, 제3 에너지 저장부(110)는 슈퍼커패시터로 구성될 수 있다. Here, the third energy storage unit 110 may be configured as a supercapacitor.

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. In the fourth energy storage unit 120, the power terminal is connected in series with the ground terminal of the third energy storage unit 110 to increase the voltage of the energy storage device, so that a low current is reduced when storing driving voltage or regenerative energy. It can flow into the energy storage device.

여기서, 제4 에너지 저장부(120)는 제3 에너지 저장부(110)의 전압보다 낮은 전압의 배터리로 구성될 수 있다. Here, the fourth energy storage unit 120 may be formed of a battery having a voltage lower than that of the third energy storage unit 110.

양방향 전력변환장치(140)는 제3 에너지 저장부(110)와 인버터(80) 사이에 매개되어 추진 동작 시나 회생 시 양방향으로 전력을 승강압 변환할 수 있다. The two-way power conversion device 140 is interposed between the third energy storage unit 110 and the inverter 80 to convert power up and down in both directions during a propulsion operation or regeneration.

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. During the propulsion operation, the inverter 80 receives power output from the bidirectional power conversion device 140 and converts it into three-phase power to drive the motor 90, and rectifies the regenerative energy generated from the motor 90 during regeneration. It can be output to the bi-directional power conversion device 140.

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. The second switching unit 130 selectively connects the fourth energy storage unit 120 to the DC/DC converter 20 or the two-way power conversion device 140 in series with the third energy storage unit 110 or The third energy storage unit 110 may be connected alone.

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. Here, the second switching unit 130 is a second switch for switching the power supply terminal of the DC/DC converter 20 to the power supply terminal of the third energy storage unit 110 or the power supply terminal of the fourth energy storage unit 120 (132) and a third switch 134 for switching the ground terminal of the DC/DC converter 20 to the ground terminal of the third energy storage unit 110 or the ground terminal of the fourth energy storage unit 120, A fourth switch 136 for switching the ground terminal of the bidirectional power conversion device 140 to the ground terminal of the third energy storage unit 110 or the ground terminal of the fourth energy storage unit 120 may be included.

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. The control unit 100 drives the motor 90 by controlling the second switching unit 130, the two-way power conversion device 140, and the inverter 80 during the propulsion operation, and the inverter 80, the two-way power conversion device during regeneration. Regenerative energy may be stored in the third energy storage unit 110 and the fourth energy storage unit 120 by controlling 140 and the second switching unit 130.

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. As described above, the hybrid energy storage device according to the present embodiment comprises a supercapacitor serving as the third energy storage unit 110 and a battery serving as the fourth energy storage unit 120 in series, thereby configuring heterogeneous energy storage media in parallel. Unlike the method, it can be configured in series to make the most of the advantages of each energy storage medium.

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. In other words, by configuring the battery and the super capacitor in series as needed, or by configuring them alone, a super capacitor with high input/output characteristics without adding a balancing circuit to reduce the deviation between multiple cells while utilizing the high energy density of the battery. High system voltage can be formed by connecting in series with.

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. Therefore, if the supercapacitor of the third energy storage unit 110 and the battery of the fourth energy storage unit 120 are connected in series in order to receive the large regenerative energy generated during regeneration, the overall system voltage of the energy storage device increases. As a result, low current flows into the energy storage device to minimize the burden on the battery.

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. In addition, even when the energy storage device supplies high power required for propulsion operation, the output current output from the energy storage device can be minimized by connecting the third energy storage unit 110 and the fourth energy storage unit 120 in series. I can.

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. As described above, according to the hybrid energy storage device according to the embodiment of the present invention, the hybrid energy storage device comprises a battery and a super capacitor as a hybrid, and charging and discharging is performed according to the characteristics of the heterogeneous energy storage medium through a single power conversion device. By allowing it to be achieved, not only the overall size of the energy storage device can be minimized, but also the characteristics of heterogeneous energy storage media can be utilized, thereby improving energy efficiency.

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.The implementation described herein may be implemented in, for example, a method or process, an apparatus, a software program, a data stream or a signal. Although discussed only in the context of a single form of implementation (eg, only as a method), the implementation of the discussed features may also be implemented in other forms (eg, an apparatus or program). The device may be implemented with appropriate hardware, software and firmware. The method may be implemented in an apparatus such as a processor, which generally refers to a processing device including, for example, a computer, a microprocessor, an integrated circuit or a programmable logic device, or the like. Processors also include communication devices such as computers, cell phones, personal digital assistants ("PDAs") and other devices that facilitate communication of information between end-users.

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. Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, this is only illustrative, and those of ordinary skill in the field to which the technology pertains, various modifications and other equivalent embodiments are possible. I will understand.

따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the following claims.

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 전력변환장치10: power line 20: DC/DC converter
30: second energy storage unit 40: first switching unit
50: power conversion device 60: first energy storage unit
70: reverse flow blocking unit 80: inverter
90: motor 100: control unit
110: third energy storage unit 120: fourth energy storage unit
130: second switching unit 140: bidirectional power conversion device

Claims (9)

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 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 저장장치.
A DC/DC converter that receives power from a power line and converts it into a driving voltage;
A first energy storage unit receiving and storing the driving voltage from the DC/DC converter and outputting power during a propulsion operation;
A second energy storage unit for storing regenerative energy generated from the motor;
An inverter receiving power from the first energy storage unit to drive the motor and storing the regenerative energy generated from the motor in the second energy storage unit;
A power conversion device for converting power from the second energy storage unit and supplying it to the first energy storage unit;
A first switching unit for forming a current path between the inverter and the second energy storage unit;
A reverse flow blocking unit blocking the regenerative energy from flowing to the first energy storage unit; And
And a control unit that controls the power conversion device and the inverter to drive the motor during a propulsion operation, and controls the inverter and the first switching unit during regeneration to store the regenerative energy in the second energy storage unit. Hybrid energy storage device.
 제 1항에 있어서, 상기 제1 에너지 저장부는 배터리로 구성되고, 상기 제2 에너지 저장부는 슈퍼 커패시터로 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 저장장치.
The hybrid energy storage device of claim 1, wherein the first energy storage unit is composed of a battery, and the second energy storage unit is composed of a super capacitor.
 제 1항에 있어서, 상기 역류차단부는, 역방향 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 저장장치.
The hybrid energy storage device as claimed in claim 1, wherein the reverse current blocking unit comprises a reverse diode.
 제 1항에 있어서, 상기 제1 스위칭부는, 바이패스 다이오드와 제1 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 저장장치.
The hybrid energy storage device according to claim 1, wherein the first switching unit includes a bypass diode and a first switch.
 제 1항에 있어서, 상기 전력변환장치는, 승압용 전력변환장치인 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 저장장치.
The hybrid energy storage device according to claim 1, wherein the power conversion device is a boosting power conversion device.
 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 저장부를 상기 제3 에너지 저장부와 직렬상태로 상기 DC/DC 컨버터나 상기 양방향 전력변환장치와 선택적으로 연결시키는 제2 스위칭부; 및
추진 동작 시 상기 제2 스위칭부, 상기 양방향 전력변환장치 및 상기 인버터를 제어하여 상기 모터를 구동시키고, 회생 시 상기 인버터, 상기 양방향 전력변환장치 및 상기 제2 스위칭부를 제어하여 상기 회생에너지를 상기 제3 에너지 저장부와 상기 제4 에너지 저장부에 저장하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 저장장치.
A DC/DC converter that receives power from a power line and converts it into a driving voltage;
A third energy storage unit receiving and storing the driving voltage from the DC/DC converter, outputting power during a propulsion operation, and storing regenerative energy;
A fourth energy storage unit connected in series with the third energy storage unit to store the driving voltage or the regenerative energy;
A two-way power conversion device interposed between the third energy storage unit and an inverter to convert power in both directions;
An inverter receiving power output from the bidirectional power converter to drive a motor and outputting the regenerative energy generated from the motor to the bidirectional power converter;
A second switching unit selectively connecting the fourth energy storage unit to the DC/DC converter or the bidirectional power conversion device in series with the third energy storage unit; And
During a propulsion operation, the second switching unit, the bidirectional power conversion device, and the inverter are controlled to drive the motor, and during regeneration, the inverter, the bidirectional power conversion device and the second switching unit are controlled to reduce the regenerative energy 3 energy storage unit and a control unit for storing the fourth energy storage unit; hybrid energy storage device comprising a.
 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.
The hybrid energy storage device of claim 6, wherein the third energy storage unit is configured with a super capacitor, and the fourth energy storage unit is configured with a battery having a voltage lower than that of the third energy storage unit.
 제 6항에 있어서, 상기 양방향 전력변환장치는, 승강압 양방향 전력변환장치인 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 저장장치.
The hybrid energy storage device according to claim 6, wherein the bi-directional power conversion device is a step-up/down bi-directional power conversion device.
 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. The method of claim 6, wherein the second switching unit,
A second switch for switching the power terminal of the DC/DC converter to a power terminal of the third energy storage unit or a power terminal of the fourth energy storage unit;
A third switch for switching the ground terminal of the DC/DC converter to a ground terminal of the third energy storage unit or a ground terminal of the fourth energy storage unit; And
And a fourth switch for switching the ground terminal of the bidirectional power conversion device to the ground terminal of the third energy storage unit or the ground terminal of the fourth energy storage unit.
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