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KR20230011060A - 전기 자전거의 전력 제어 장치 및 방법 - Google Patents

전기 자전거의 전력 제어 장치 및 방법 Download PDF

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KR20230011060A
KR20230011060A KR1020210091634A KR20210091634A KR20230011060A KR 20230011060 A KR20230011060 A KR 20230011060A KR 1020210091634 A KR1020210091634 A KR 1020210091634A KR 20210091634 A KR20210091634 A KR 20210091634A KR 20230011060 A KR20230011060 A KR 20230011060A
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KR
South Korea
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battery
power
control unit
electric bicycle
voltage
Prior art date
Application number
KR1020210091634A
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English (en)
Inventor
한상훈
Original Assignee
에이치엘만도 주식회사
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Filing date
Publication date
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Priority to DE102021213473.4A priority patent/DE102021213473A1/de
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Abstract

본 발명은, 페달의 회전에 의해 교류 전력을 발생시키는 발전기와, 발전기에서 발생된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 제1 제어 유닛과, 제1 제어 유닛에 의해 변환된 직류 전력을 공급 받아 저장하는 제1 배터리와, 제1 제어 유닛에 의해 변환되거나 제1 배터리에 저장된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 제2 제어 유닛과, 제2 제어 유닛에 의해 변환된 교류 전력을 공급 받아 구동되는 모터를 포함하고, 제1 제어 유닛은, 제1 배터리의 전압을 검출하여 제1 배터리의 전압이 기준 전압 미만이면, 제1 배터리에서 모터로 공급되는 전력을 차단하고, 제1 제어 유닛에 의해 변환된 직류 전력을 제2 제어 유닛에 공급하는 전기 자전거의 전력 제어 장치를 제공한다.

Description

전기 자전거의 전력 제어 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR POWER CONTROL OF ELECTRIC BICYCLE}
본 발명은 체인이 없는 전기 자전거의 전력 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
전기 자전거는 페달을 밟는 힘에 전기 모터로 구동력을 더하여 움직이거나 전기 모터만으로 구동하는 자전거를 말한다. 페달을 밟는 형식의 전기 자전거는 일반 자전거와 같이 체인으로 바퀴에 동력을 전달하고 여기에 모터의 구동력을 보조로 사용하는 방식과, 체인 없이 페달을 밟는 힘을 전기로 변환하여 배터리를 충전하고 이 배터리로 모터를 구동하여 주행하는 방식이 있다.
모터가 전기 자전거의 구동력을 보조하는 방식은 사용자가 페달을 밟아 바퀴를 구동하는 것을 기본 동력으로 한다. 따라서, 페달의 회전은 체인을 통해 뒷바퀴에 연결되고 사용자는 페달에 전해지는 저항을 느낄 수 있다.
체인이 없는 전기 자전거는 체인이 없어서 페달을 밟는 힘이 전기 자전거의 뒷바퀴에 직접 전달되는 것이 아니기 때문에 사용자는 페달의 저항을 느낄 수 없다. 따라서 페달을 밟는 느낌을 제공하기 위해서는 페달에 일정한 부하를 제공한다.
이러한 전기 자전거는 배터리의 완전 방전 또는 배터리 미연결 상태에서도 일정 속도 또는 일정 거리 이상 주행이 가능한 방법이 요구된다.
이와 같이, 배터리의 완전 방전 또는 배터리 미연결 상태에서도 일정 속도 또는 일정 거리 이상 주행이 가능하기 위해서는 체인 또는 벨트 등의 기구적인 구동계가 필요한데, 이러한 기구적인 구동계로 인해 전기 자전거의 부피가 커지고 제조 비용이 상승되는 문제점이 있다.
따라서, 체인이 없는 전기 자전거에 있어서, 배터리의 완전 방전 또는 배터리 미연결 상태에서도 일정 속도 또는 일정 거리 이상 주행이 가능한 방법이 요구된다.
본 발명의 목적은, 배터리의 완전 방전 또는 배터리 미연결 상태에서도 일정 속도 또는 일정 거리 이상 주행이 가능한 체인이 없는 전기 자전거의 전력 제어 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론 할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 페달의 회전에 의해 교류 전력을 발생시키는 발전기와, 발전기에서 발생된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 제1 제어 유닛과, 제1 제어 유닛에 의해 변환된 직류 전력을 공급 받아 저장하는 제1 배터리와, 제1 제어 유닛에 의해 변환되거나 제1 배터리에 저장된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 제2 제어 유닛과, 제2 제어 유닛에 의해 변환된 교류 전력을 공급 받아 구동되는 모터를 포함하고, 제1 제어 유닛은, 제1 배터리의 전압을 검출하여 제1 배터리의 전압이 기준 전압 미만이면, 제1 배터리에서 모터로 공급되는 전력을 차단하고, 제1 제어 유닛에 의해 변환된 직류 전력을 제2 제어 유닛에 공급하는 전기 자전거의 전력 제어 장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 전기 자전거의 전력 제어 장치는, 제1 배터리의 방전 방향으로 제1 다이오드가 병렬 연결되며 제1 제어 유닛에 의해 변환된 직류 전력을 제1 배터리에 충전시키는 제1 스위치와, 제1 배터리의 충전 방향으로 제2 다이오드가 병렬 연결되며 제1 배터리에 저장된 직류 전력을 방전시키는 제2 스위치를 더 포함한다.
또한, 제1 제어 유닛은 제1 배터리의 전압이 제1 기준 전압 이상이면, 제1 및 제2 스위치를 온 상태로 유지한다.
또한, 제1 제어 유닛은, 제1 배터리의 전압이 기준 전압 미만이면, 제1 및 제2 스위치가 온된 상태에서 제2 스위치를 턴-오프한다.
또한, 제1 제어 유닛은 제1 배터리의 전압이 제2 기준 전압 이상이면, 제1 및 제2 스위치가 온된 상태에서 제1 스위치를 턴-오프한다.
또한, 제1 배터리는 제1 및 제2 제어 유닛을 구동하기 위한 구동 전력을 공급한다.
또한, 본 발명의 전기 자전거의 전력 제어 장치는, 구동 전력을 저장하는 제2 배터리와, 제2 배터리에 저장된 구동 전력을 제1 및 제2 제어 유닛에 공급시키는 제3 스위치를 더 포함한다.
또한, 제1 및 제2 배터리는, 시동 신호 입력 시 제1 및 제2 제어 유닛에 상기 구동 전력을 각각 공급한다.
또한, 제1 제어 유닛은, 제1 배터리의 연결 상태를 확인하여 제1 배터리가 연결 상태이면, 제3 스위치를 턴-오프시킨다.
또한, 제1 제어 유닛은, 제1 배터리의 연결 상태를 확인하여 제1 배터리가 미연결 상태이면, 제1 배터리에서 모터로 공급되는 전력을 차단하고, 제1 제어 유닛에 의해 변환된 직류 전력을 제2 제어 유닛에 공급한다.
또한, 본 발명은, 페달의 회전에 의해 전기 에너지를 발생시키는 발전기, 발전기에 의해 발생된 전기 에너지를 공급 받아 저장하는 제1 배터리 및 제1 배터리 또는 발전기로부터 전기 에너지를 공급 받아 구동되는 모터를 포함하는 전기 자전거의 전력 제어 방법으로서, 시동 신호 입력 시 제1 배터리가 제1 및 제2 제어 유닛에 구동 전력을 공급하는 단계와, 제1 제어 유닛이 발전기에서 발생된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 단계와, 제1 제어 유닛이 제1 배터리의 전압을 기준 전압과 비교하는 단계와, 제1 배터리의 전압이 기준 전압 미만이면, 제1 배터리에서 모터로 공급되는 전력을 차단하고, 제1 제어 유닛에 의해 변환된 직류 전력을 제2 제어 유닛에 공급하는 단계와, 제2 제어 유닛이 공급 받은 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 모터에 공급하는 단계를 포함하는 전기 자전거의 전력 제어 방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 전기 자전거의 전력 제어 방법은, 시동 신호 입력 시 제2 배터리가 제1 및 제2 제어 유닛에 구동 전력을 공급하는 단계와, 제1 제어 유닛이 제1 배터리의 연결 상태를 확인하는 단계와, 제1 배터리가 연결 상태이면, 제2 배터리에서 제1 및 제2 제어 유닛으로 공급되는 구동 전력을 차단하는 단계를 더 포함한다.
본 발명에 따르면, 체인 또는 벨트 등의 기구적인 구동계를 구비하지 않더라도, 배터리의 완전 방전(모터 구동이 어려운 충전 상태) 또는 배터리 미연결 상태에서 일정 속도 또는 일정 거리 이상 주행이 가능한 장점이 있다.
한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기 자전거의 전력 제어 장치의 전체 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전기 자전거의 전력 제어 장치가 정상 모드로 동작하는 모습을 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전기 자전거의 전력 제어 장치가 비상 모드로 동작하는 모습(제1 배터리 전압 부족)을 나타낸 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전기 자전거의 전력 제어 장치가 비상 모드로 동작하는 모습(제1 배터리 미연결)을 나타낸 블록도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전기 자전거의 전력 제어 방법의 순서도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예가 안내하는 본 발명의 구성과 그 구성으로부터 비롯되는 효과에 대해 살펴본다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
'제1', '제2' 등의 용어는 다양한 구성요소를 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소는 위 용어에 의해 한정되어서는 안 된다. 위 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 '제1구성요소'는 '제2구성요소'로 명명될 수 있고, 유사하게 '제2구성요소'도 '제1구성요소'로 명명될 수 있다. 또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어는 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예가 안내하는 본 발명의 구성과 그 구성으로부터 비롯되는 효과에 대해 살펴본다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기 자전거의 전력 제어 장치의 전체 블록도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전기 자전거의 전력 제어 장치가 정상 모드로 동작하는 모습을 나타낸 블록도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전기 자전거의 전력 제어 장치가 비상 모드로 동작하는 모습(제1 배터리 전압 부족)을 나타낸 블록도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전기 자전거의 전력 제어 장치가 비상 모드로 동작하는 모습(제1 배터리 미연결)을 나타낸 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전기 자전거의 전력 제어 장치는, 발전기(110), 모터(120), 제1 제어 유닛(130), 제2 제어 유닛(140), 주전원 공급부(150) 및 보조전원 공급부(160)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 주전원 공급부(150)는 제1 배터리(151)를 포함하고, 보조 전원 공급부(160)는 제2 배터리(161)를 포함한다. 예를 들어, 제1 배터리(151)는 48V 배터리이고, 제2 배터리(161)은 12V 배터리일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 배터리(151)가 제2 배터리(161) 보다 고전압 배터리이면 족하다.
전기 자전거는 동력을 얻기 위해 전기 에너지가 필요하며 이러한 전기 에너지는 제1 배터리(151)를 통해 공급된다. 그리고, 전기 자전거의 주행 중 제1 배터리(151)를 충전시키기 위해 발전기(110)를 구비한다.
발전기(110)는 전기 자전거에 구비된 페달의 회전에 의해 생성되는 회전 운동 에너지를 이용해 3상 교류 전력을 생성한다.
여기서, 발전기(110)는 구동축, 로터 및 스테이터를 포함하여 구성될 수 있는데, 구동축은 페달과 연결되어 회전하며, 로터는 구동축에 의해 회전함으로써 전류를 발생시키는 역할을 한다. 그리고, 스테이터는 회전하는 로터에 의해 교류 전력을 생성한다.
제1 제어 유닛(130)은 제1 배터리(151) 및 제2 배터리(161) 중 적어도 하나로부터 구동 전원(예컨대, 12V 전원)을 공급 받아 구동될 수 있다. 여기서, 제1 배터리(151)가 48V 배터리일 경우 벅 컨버터를 통해 12V로 감압되어 제1 제어 유닛(130)에 공급될 수 있다.
제1 제어 유닛(130)은 발전기(110)에서 발생된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 제1 배터리(151) 또는 제2 제어 유닛(140)으로 공급한다. 그리고, 제1 배터리(151)는 제1 제어 유닛(130)에 의해 변환된 직류 전력을 공급 받아 저장한다.
제1 제어 유닛(130)은 제1 인버터(132), 제1 컨버터(131) 및 제1 컨트롤러(133)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 제1 인버터(132)는 3상 교류 전력을 펄스폭 변조(PWM)를 통해 임의의 가변 주파수를 가진 펄스 형태의 직류 전력으로 변환하기 위한 것으로, 복수 예컨대, 6개의 스위치를 포함할 수 있으며 이 스위치들이 2개가 직렬로 한 쌍을 이루어 발전기(110)의 위상 단자에 각각 연결될 수 있다.
예를 들어, 3쌍의 스위치는 전계 효과 트랜지스터(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor; MOSFET)로서, N-MOSFE, P-MOSFET 또는 다른 적절한 반도체 스위칭 소자들로 이루어질 수 있다. 여기서, MOSFET은 드레인 단자, 게이트 단자 및 소스 단자를 갖는다.
또한, 제1 컨버터(131)는 제1 인버터(132)에 의해 변환된 제1 직류 전압을 이 보다 레벨이 낮은 제2 직류 전압으로 감압한다. 그리고, 제1 배터리(151)는 제1 컨버터(131)에 의해 감압된 제2 직류 전압을 충전한다. 여기서, 제2 직류 전압은 제1 배터리(151)의 정격 전압 이하일 수 있다.
제1 컨트롤러(133)는 제1 위치 센서(111)에 의해 검출된 발전기(110)의 로터 위치와 제1 전류 센서(134)에 의해 검출된 발전기(110)의 출력 전류를 입력 받아 제1 컨버터(131) 및 제1 인버터(132)를 각각 제어할 수 있다.
구체적으로, 제1 컨트롤러(133)는, 발전기(110)의 로터 위치 및 출력 전류를 기초로 발전기(110)에서 발생된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하도록 제1 인버터(132)를 제어하고, 제1 인버터(132)에 의해 변환된 직류 전압을 감압하도록 제1 컨버터(131)를 제어할 수 있다.
제2 제어 유닛(140)은 제1 배터리(151) 및 제2 배터리(161) 중 적어도 하나로부터 구동 전원(예컨대, 12V 전원)을 공급 받아 구동될 수 있다. 여기서, 제1 배터리(151)가 48V 배터리일 경우 벅 컨버터를 통해 12V로 감압되어 제2 제어 유닛(140)에 공급될 수 있다.
제2 제어 유닛(140)는 제1 배터리(151)에 저장된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하거나 제1 제어 유닛(130)으로부터 공급받은 직류 전력을 교류 전력으로 변환한다. 그리고, 모터(120)는 제2 제어 유닛(140)에 의해 변환된 교류 전력을 공급 받아 구동된다.
제2 제어 유닛(140)는 제2 컨버터(141), 제2 인버터(142) 및 제2 컨트롤러(143)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 제2 컨버터(141)는 제1 배터리(140)에 저장된 제2 직류 전압을 이 보다 레벨이 높은 제3 직류 전압으로 승압한다.
또한, 제2 인버터(142)는 제2 컨버터(141)에 의해 변환된 직류 전력을 펄스폭 변조(PWM)를 통해 3상 교류 전력으로 변환하여 모터(120)에 공급한다.
여기서, 제2 인버터(142)는 3상 교류 전력을 펄스폭 변조(PWM)를 통해 임의의 가변 주파수를 가진 펄스 형태의 직류 전력으로 변환하기 위한 것으로, 복수 예컨대, 6개의 스위치를 포함할 수 있으며 이 스위치들이 2개가 직렬로 한 쌍을 이루어 모터(120)의 위상 단자에 각각 연결될 수 있다.
예를 들어, 3쌍의 스위치는 전계 효과 트랜지스터(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor; MOSFET)로서, N-MOSFE, P-MOSFET 또는 다른 적절한 반도체 스위칭 소자들로 이루어질 수 있다. 여기서, MOSFET은 드레인 단자, 게이트 단자 및 소스 단자를 갖는다.
제2 컨트롤러(143)는 제2 위치 센서(121)에 의해 검출된 모터(120)의 로터 위치와 제2 전류 센서(144)에 의해 검출된 모터(120)의 출력 전류를 입력 받아 제2 컨버터(141) 및 제2 인버터(142)를 제어할 수 있다.
구체적으로, 제2 컨트롤러(143)는, 모터(120)의 로터 위치 및 출력 전류를 기초로 제1 배터리(151)에서 저장된 직류 전압을 승압하도록 제2 컨버터(141)를 제어하고, 제2 컨버터(141)에 의해 승압된 직류 전압을 교류 전압으로 변환하도록 제2 인버터(142)를 제어할 수 있다.
제1 컨트롤러(133)는 주전원 공급부(150)로부터 배터리(140)의 전압 신호를 제공 받거나, 직접 제1 배터리(140)의 전압을 검출할 수 있다.
이 때, 제1 컨트롤러(133)는, 제1 배터리(151)의 전압을 확인하여, 제1 배터리(151)의 전압이 기준 전압 이상이면 정상 모드로 동작한다. 즉, 도 2에 도시한 바와 같이, 제1 컨트롤러(133)는 제1 배터리(151)에 저장된 전력으로 제1 및 제2 제어 유닛(130, 140) 및 모터(120)를 동시에 구동할 수 있기 때문에, 제1 배터리(151)는 발전기(110)로부터 전력을 공급 받아 저장하고, 저장된 전력을 제1 및 제2 제어 유닛(130, 140)과 모터(120)에 각각 공급한다.
여기서, 기준 전압은 모터(120)를 구동하는데 필요한 최소한의 전압일 수 있다.
이와 달리, 제1 컨트롤러(133)는, 제1 배터리(151)의 전압을 확인하여, 제1 배터리(151)의 전압이 기준 전압 미만이면 비상 모드로 동작한다. 즉, 도 3에 도시한 바와 같이, 제1 컨트롤러(133)는 제1 배터리(151)에 저장된 전력으로 모터(120)를 구동할 수 없기 때문에, 추가적인 제어 동작으로 전기 자전거가 주행하도록 한다.
구체적으로, 제1 컨트롤러(133)는 제1 배터리(151)에서 모터(120)로 공급되는 전력을 차단하고, 제1 제어 유닛(130)에 의해 변환된 직류 전력을 제2 제어 유닛(140)에 공급한다.
주전원 공급부(150)는 제1 내지 제3 스위치(152, 153, 156)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 제1 내지 제3 스위치(152, 153, 156)는 전계 효과 트랜지스터(Field-Effect Transistor; FET) 등 적절한 반도체 스위칭 소자들로 이루어질 수 있다.
제1 및 제2 스위치(152, 153)는 제1 배터리에 직렬로 연결될 수 있고, 제3 스위치는 제1 배터리(156)의 전압을 감압하는 벅 컨버터에 연결될 수 있다.
제1 스위치(152)는 제1 제어 유닛(130)에 의해 변환된 직류 전력을 제1 배터리(151)에 충전시키고, 제2 스위치(153)는 제1 배터리(151)에 저장된 직류 전력을 방전시킨다.
여기서, 제1 스위치(152)는 제1 배터리(151)의 방전 방향으로 제1 다이오드가 병렬로 연결되고, 제2 스위치(153)는 제1 배터리(151)의 충전 방향으로 제2 다이오드가 병렬로 연결된다. 즉, 제1 다이오드 및 제2 다이오드는 서로 마주 보는 방향으로 배치될 수 있다.
이하, 제1 스위치(152) 및 제2 스위치(153)의 동작 원리를 설명하겠다.
제1 스위치(152) 및 제2 스위치(153)가 모두 턴-온되면, 제1 배터리(151)는 제1 스위치(152) 및 제2 스위치(153)를 통해 충전 및 방전이 모두 가능한 상태가 된다.
그리고, 제1 스위치(152)가 턴-온되고, 제2 스위치(153)가 턴-오프되면, 제1 배터리(151)는 방전이 차단되고, 제2 다이오드를 통해 충전만 가능한 상태가 된다. 그리고, 제1 스위치(152)가 턴-오프되고, 제2 스위치(153)가 턴-온되면, 제1 배터리(151)는 충전이 차단되고, 제1 다이오드를 통해 방전만 가능한 상태가 된다.
그리고, 제1 스위치(152) 및 제2 스위치(153)가 모두 턴-오프되면, 제1 배터리(151)는 충전 및 방전이 모두 차단 된다.
정상 모드 동작 시, 제1 스위치(152) 및 제2 스위치(153)는 모두 온(ON) 상태를 유지하여 제1 배터리(151)는 충전 및 방전이 모두 가능한 상태가 된다.
이후, 비상 모드 동작 시, 제2 스위치(153)가 턴-오프되어 제1 배터리(151)의 방전을 차단한다. 즉, 제1 스위치(152)가 온 상태로 유지되고 제2 스위치(153)가 턴-오프되면, 전류는 제2 다이오드에 의해 제1 배터리(151)로 유입만 될 수 있어, 제1 배터리(151)의 방전이 차단되고 제1 배터리(151)는 제2 다이오드를 통해 충전만 가능한 상태가 된다.
한편, 제1 배터리(151)의 충전량이 충분한 경우, 제1 스위치(152)가 턴-오프되어 제1 배터리(151)의 충전을 차단한다. 즉, 제2 스위치(153)가 온 상태로 유지되고 제1 스위치(152)가 턴-오프되면, 전류는 제1 다이오드에 의해 제1 배터리(151)에서 유출만 될 수 있어, 제1 배터리(151)의 충전이 차단되고 제1 배터리(151)는 제1 다이오드를 통해 방전만 가능한 상태가 된다.
주전원 공급부(150)는 제1 및 제2 스위치(152, 153)를 스위칭 제어하기 위한 제3 컨트롤러(154)를 더 포함할 수 있다.
제1 컨트롤러(133)는 제1 배터리(151)의 전압이 제1 기준 전압 미만이면, 제1 배터리(151)에서 모터(120)로 전력이 공급되는 것을 차단하기 위한 제어 신호를 제3 컨트롤러(154)로 제공한다. 이에 따라, 제3 컨트롤러(154)는 제1 스위치(152) 및 제2 스위치(153)가 온된 상태에서, 제2 스위치(153)를 턴-오프하여 제1 배터리(151)의 방전을 차단시킨다.
여기서, 제1 컨트롤러(133)는, 제1 스위치(152)를 온 상태로 유지하여, 발전기(110)에 생성된 전력이 모터(120)를 구동하고 남는 경우 그 잉여 전력을 제1 배터리(151)에 충전시킬 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 전기 자전거의 전력 변환 장치는, 제1 배터리(151) 충전 상태가 모터(120)의 구동이 어려운 상태에서도 발전기(110)에서 발생된 전력을 직접 모터(120)에 공급하여 전기 자전거를 주행 시킴으로써, 일정 속도 또는 일정 거리 이상 주행이 가능하다.
제1 컨트롤러(133)는 제1 배터리(151)의 전압이 제2 기준 전압 이상이면, 제1 배터리(151)의 충전을 차단하기 위한 제어 신호를 제3 컨트롤러(154)로 제공한다. 이에 따라, 제3 컨트롤러(154)는 제1 스위치(152) 및 제2 스위치(153)가 온된 상태에서, 제1 스위치(152)를 턴-오프하여 제1 배터리(151)의 충전을 차단시킨다. 여기서, 제1 컨트롤러(133)는, 제2 스위치(153)를 온 상태로 유지하여, 제1 배터리(151)를 방전시킬 수 있다.
제3 스위치(156)는 제1 배터리(151)에 저장된 구동 전력을 제1 및 제2 제어 유닛(130, 140)에 공급시킨다. 여기서, 제1 배터리(151)가 48V 배터리일 경우 벅 컨버터를 통해 12V로 감압되어 제1 및 제2 제어 유닛(130, 140)에 공급될 수 있다.
제3 스위치(156)는 시동(IGN) 신호에 의해 턴-온되어 구동 전력을 제1 및 제2 제어 유닛(130, 140)에 공급할 수 있다.
한편, 배터리(140)의 전압이 제어부(160)를 동작시킬 수 있는 최소 전압 미만이거나, 배터리(140)가 시스템에 연결되지 않은 상태인 경우 시스템의 웨이크-업 및 제1 및 제2 제어 유닛(130, 140)을 통한 비상 모드 동작이 불가능하다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 전기 자전거의 전력 제어 장치는, 제1 및 제2 제어 유닛(130, 140)에 보조적으로 구동 전력을 공급하기 위한 보조전원 공급부(160)를 더 포함한다. 여기서, 보조전원 공급부(160)는 제2 배터리(161), 충전부(162) 및 제4 스위치를 포함하여 구성될 수 있다.
제2 배터리(161)는 평상 시에는 제1 배터리(151)로부터 전력을 공급받아 충전될 수 있다. 또한 충전부(162)는 제1 배터리(151)의 전압을 감압하여 제2 배터리(161)를 충전시킬 있다.
제2 배터리(161)의 충전 전압은 시스템의 웨이크-업 및 제1 및 제2 제어 유닛(130, 140)을 동작시킬 수 있는 최소 전압 이상일 수 있다,
제4 스위치(163)는 제2 배터리(161)에 저장된 구동 전력을 제1 및 제2 제어 유닛(130, 140)에 공급시킨다. 여기서, 제4 스위치(163)는 전계 효과 트랜지스터(Field-Effect Transistor; FET) 등 적절한 반도체 스위칭 소자들로 이루어질 수 있다.
제4 스위치(163)는 시동(IGN) 신호에 의해 턴-온되어 구동 전력을 제1 및 제2 제어 유닛(130, 140)에 공급할 수 있다.
이에 따라, 제3 및 제4 스위치(163)는 시동(IGN) 신호에 의해 동시에 턴-온되어 구동 전력을 각각 제1 및 제2 제어 유닛(130, 140)에 공급할 수 있다.
제1 컨트롤러(133)는, 제1 배터리(151)의 연결 상태를 확인하여, 배터리(151)가 시스템에 연결되어 있으면, 전술한 바와 같이 제1 배터리(151)의 전압을 확인하여 정상 모드 또는 비상 모드 동작을 수행한다.
이와 달리, 제1 컨트롤러(133)는, 제1 배터리(151)의 연결 상태를 확인하여 제1 배터리(151)가 미연결 상태이면 비상 모드로 동작한다.
즉, 도 4에 도시한 바와 같이, 제1 및 제2 제어 유닛(130, 140)은 제1 배터리(151)로부터 전원을 공급받을 수 없는 상태이기 때문에 보조전원 공급부(160)로부터 보조 전력을 공급 받아 구동된다. 또한, 제1 제어 유닛(130)은, 발전기(110)에서 발생된 전력을 모터(120)에 공급하여 모터(120)를 구동한다.
제1 제어 유닛(130)은, 제1 배터리(151)가 연결 상태이면, 제어 신호(CON)을 제4 스위치(163)에 인가하여 제4 스위치(163)를 턴-오프시켜 제2 배터리(161)가 제1 및 제2 제어 유닛(130, 140)에 전원을 공급하는 것을 차단하여 제2 배터리(161)의 방전을 방지할 수 있다.
이와 달리, 제1 제어 유닛(133)은, 제1 배터리(151)가 미연결 상태이면, 제1 스위치(SW1)를 온 상태로 유지시켜 제1 및 제2 제어 유닛을 지속적으로 구동시킬 수 있고, 전술한 비상 모드 동작을 원활히 수행할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전기 자전거의 전력 제어 방법의 순서도이다.
이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 전기 자전거의 전력 제어 방법을 설명하되 전술한 내용과 동일한 내용에 대해서는 생략하겠다.
본 발명의 실시예에 따른 본 발명의 실시예에 따른 전기 자전거의 제어 방법은, 페달(10)의 회전에 의해 전기 에너지를 발생시키는 발전기(110), 발전기(110)에 의해 발생된 전기 에너지를 공급 받아 저장하는 제1 배터리(151) 및 제1 배터리(151) 또는 발전기(110)로부터 전기 에너지를 공급 받아 구동되는 모터(120)를 포함하는 전기 자전거의 전력 제어 방법이다.
본 발명의 실시예에 따른 본 발명의 실시예에 따른 전기 자전거의 제어 방법은, 먼저, 시동 신호 입력 시(S10) 제1 배터리(151) 및 제2 배터리(161)가 제1 및 제2 제어 유닛(130, 140)에 구동 전력을 공급한다(S20).
이에 따라, 제1 제어 유닛(130)은 발전기(110)에서 발생된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하고, 제2 제어 유닛(140)은 공급 받은 직류 전력을 교류 전력으로 변환할 수 있다.
다음, 제1 제어 유닛(130)이 제1 배터리(151)의 연결 상태를 확인한다(S30). 이 때, 제1 배터리(151)가 연결 상태이면, 제2 배터리(161)에서 제1 및 제2 제어 유닛(130, 140)으로 공급되는 구동 전력을 차단한다(S40). 이는, 제1 배터리(151)만으로도 제1 및 제2 제어 유닛(130, 140)에 구동 전력을 충분히 공급할 수 있기 때문이며, 이를 통해, 제2 배터리(161)의 방전을 방지할 수 있다.
이 때, 제1 및 제2 제어 유닛(130, 140)은 제1 배터리(151) 또는 제2 배터리(161)로부터 구동 전력을 공급받고 있는 상태이다.
다음, 제1 제어 유닛(130)이 제1 배터리(151)의 전압을 기준 전압과 비교한다(S50). 이 때, 제1 배터리(151)의 전압이 기준 전압 미만이면, 제1 배터리(151)에서 모터(120)로 공급되는 전력을 차단하고, 발전기(110)에서 모터로 전력을 공급한다(S60). 즉, 발전기(110)가 발생한 교류 전력은 제1 제어 유닛(130)에 의해 직류 전력으로 변환되고, 이 직류 전력은 다시 제2 제어 유닛(140)에 의해 교류 전력으로 변환된 뒤 모터(120)에 공급된다.
이와 달리, 제1 배터리(151)의 전압이 기준 전압 이상이면, 제1 제어 유닛(130)에 의해 변환된 직류 전력을 제1 배터리(151)에 공급하여 제1 배터리(151)를 충전시키고, 제1 배터리(151)는 모터(120)에 전력을 공급하게 된다(S70).
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 전기 자전거의 전력 제어 방법은, 배터리(140) 충전 상태가 모터(120)의 구동이 어려운 상태 또는 배터리(140)가 시스템에 연결되지 않은 상태에서도 발전기(110)에서 발생된 전력을 직접 모터(120)에 공급하여 전기 자전거를 주행 시킴으로써, 일정 속도 또는 일정 거리 이상 주행이 가능하다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
110: 발전기
120: 모터
130: 제1 제어 유닛
140: 제2 제어 유닛
150: 주전원 공급부
160: 보조 전원 공급부

Claims (13)

  1. 페달의 회전에 의해 교류 전력을 발생시키는 발전기;
    상기 발전기에서 발생된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 제1 제어 유닛;
    상기 제1 제어 유닛에 의해 변환된 직류 전력을 공급 받아 저장하는 제1 배터리;
    상기 제1 제어 유닛에 의해 변환되거나 상기 제1 배터리에 저장된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 제2 제어 유닛; 및
    상기 제2 제어 유닛에 의해 변환된 교류 전력을 공급 받아 구동되는 모터를 포함하고,
    상기 제1 제어 유닛은
    상기 제1 배터리의 전압을 검출하여 상기 제1 배터리의 전압이 제1 기준 전압 미만이면, 상기 제1 배터리에서 상기 모터로 공급되는 전력을 차단하고, 상기 제1 제어 유닛에 의해 변환된 직류 전력을 상기 제2 제어 유닛에 공급하는
    전기 자전거의 전력 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 배터리의 방전 방향으로 제1 다이오드가 병렬 연결되며, 상기 제1 제어 유닛에 의해 변환된 직류 전력을 상기 제1 배터리에 충전시키는 제1 스위치; 및
    상기 제1 배터리의 충전 방향으로 제2 다이오드가 병렬 연결되며, 상기 제1 배터리에 저장된 직류 전력을 방전시키는 제2 스위치
    를 더 포함하는 전기 자전거의 전력 제어 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 제어 유닛은
    상기 제1 배터리의 전압이 상기 제1 기준 전압 이상이면, 상기 제1 및 제2 스위치를 온 상태로 유지하는
    전기 자전거의 전력 제어 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 제어 유닛은
    상기 제1 배터리의 전압이 상기 제1 기준 전압 미만이면, 상기 제1 및 제2 스위치가 온된 상태에서 상기 제2 스위치를 턴-오프하는
    전기 자전거의 전력 제어 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    제1 제어 유닛은
    상기 제1 배터리의 전압이 제2 기준 전압 이상이면, 상기 제1 및 제2 스위치가 온된 상태에서 상기 제1 스위치를 턴-오프하는
    전기 자전거의 전력 제어 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 배터리는
    상기 제1 및 제2 제어 유닛을 구동하기 위한 구동 전력을 공급하는
    전기 자전거의 전력 제어 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 구동 전력을 저장하는 제2 배터리; 및
    상기 제2 배터리에 저장된 구동 전력을 상기 제1 및 제2 제어 유닛에 공급시키는 제3 스위치
    를 더 포함하는 전기 자전거의 전력 제어 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 배터리는
    시동 신호 입력 시 상기 제1 및 제2 제어 유닛에 상기 구동 전력을 각각 공급하는
    전기 자전거의 전력 제어 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1 제어 유닛은
    상기 제1 배터리의 연결 상태를 확인하여 상기 제1 배터리가 연결 상태이면, 상기 제3 스위치를 턴-오프시키는
    전기 자전거의 전력 제어 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 제어 유닛은
    상기 제1 배터리의 연결 상태를 확인하여 상기 제1 배터리가 미연결 상태이면, 상기 제1 배터리에서 상기 모터로 공급되는 전력을 차단하고, 상기 제1 제어 유닛에 의해 변환된 직류 전력을 상기 제2 제어 유닛에 공급하는
    전기 자전거의 전력 제어 장치.
  11. 페달의 회전에 의해 전기 에너지를 발생시키는 발전기, 상기 발전기에 의해 발생된 전기 에너지를 공급 받아 저장하는 제1 배터리 및 상기 제1 배터리 또는 상기 발전기로부터 전기 에너지를 공급 받아 구동되는 모터를 포함하는 전기 자전거의 전력 제어 방법으로서,
    시동 신호 입력 시 상기 제1 배터리가 제1 및 제2 제어 유닛에 구동 전력을 공급하는 단계;
    상기 제1 제어 유닛이 상기 발전기에서 발생된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 단계;
    상기 제1 제어 유닛이 상기 제1 배터리의 전압을 제1 기준 전압과 비교하는 단계;
    상기 제1 배터리의 전압이 제1 기준 전압 미만이면, 상기 제1 배터리에서 상기 모터로 공급되는 전력을 차단하고, 상기 제1 제어 유닛에 의해 변환된 직류 전력을 상기 제2 제어 유닛에 공급하는 단계; 및
    상기 제2 제어 유닛이 공급 받은 상기 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 상기 모터에 공급하는 단계
    를 포함하는 전기 자전거의 전력 제어 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    시동 신호 입력 시 제2 배터리가 상기 제1 및 제2 제어 유닛에 구동 전력을 공급하는 단계
    를 더 포함하는 전기 자전거의 전력 제어 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    제1 제어 유닛이 상기 제1 배터리의 연결 상태를 확인하는 단계; 및
    상기 제1 배터리가 연결 상태이면, 상기 제2 배터리에서 상기 제1 및 제2 제어 유닛으로 공급되는 상기 구동 전력을 차단하는 단계
    를 더 포함하는 전기 자전거의 전력 제어 방법.
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