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KR-102961962-B1 - ELECTRIC VEHICLE OPERATION SYSTEM EQUIPPED WITH WIND POWER GENERATION SYSTEM

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Abstract

본 발명은, 전면 범퍼(11)의 횡방향으로 연장되는 샤프트(111)와, 전면 범퍼(11)의 개방된 슬릿(12)을 통해 유입되는 공기에 의해 회전하는 회전팬(112)으로 구성되는, 회전부(110), 회전판(121a)과, 회전판(121a)의 일측면 또는 양측면에 방사상 방향으로 일정 간격을 두고 배치되는 다수의 영구자석(121b)으로 구성되는 회전자(121), 회전자(121)에 인접하여 배치되고, 영구자석(121b)에 대향하여 권선된 코일(122a)과 코일(122a)을 지지하는 고정판(122b)으로 구성된 고정자(122), 고정자(122)를 고정하는 고정프레임(123), 및 코일(122a)로부터 생성되는 전원을 출력하는 전원단자(124)로 이루어진, 발전부(120), 발전부(120)에 의해 생산된 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 전력 조절부(130), 전력 조절부(130)에 의한 직류 전원을 저장하는 배터리 충전부(140), 및 배터리 충전부(140)의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 전기차의 구동모터(20)로 공급하는 인버터(150)를 포함하여, 풍력발전에 의해 생성된 전력을 이용하여 주행이 가능하도록 전기차의 배터리로 안정적으로 공급하도록 하는, 풍력발전 시스템을 구비한 전기차 운영 시스템을 개시한다.

Inventors

  • 김용호

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20250718

Claims (7)

  1. 전기자동차의 전면 범퍼의 내부에 장착되며, 상기 전면 범퍼의 횡방향으로 연장되는 샤프트와, 상기 샤프트의 둘레에 축방향으로 다수의 블레이드가 일정각도로 이격되어 배치되어서 상기 전면 범퍼의 개방된 슬릿을 통해 유입되는 공기에 의해 회전하는 회전팬으로 구성되는, 회전부; 상기 샤프트의 일측 종단에 고정되는 회전판과, 상기 회전판의 일측면 또는 양측면에 방사상 방향으로 일정 간격을 두고 배치되는 다수의 영구자석으로 구성되는 회전자, 상기 회전자에 인접하여 배치되고, 상기 영구자석에 대향하여 권선된 코일과, 상기 코일을 지지하는 고정판으로 구성된 고정자, 상기 고정자를 상기 전기자동차의 차체 프레임에 고정하는 고정프레임, 및 상기 고정프레임의 상단에 형성되어 상기 코일로부터 생성되는 전원을 출력하는 전원단자로 이루어진, 발전부; 상기 발전부에 의해 생산된 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 전력 조절부; 상기 전력 조절부에 의한 직류 전원을 저장하는 배터리 충전부; 및 상기 배터리 충전부의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 전기차의 구동모터로 공급하는 인버터;를 포함하며, 상기 전력 조절부는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 정류기와, MPPT 기능이 탑재된 벅 부스트 컨버터(buck-boost converter)와, 상기 배터리 충전부에 의한 충방전상태를 모니터링하고 상기 배터리 충전부의 셀 밸런싱을 수행하는 BMS(Battery Management System)으로 구성되고, 상기 배터리 충전부는 리튬이온 배터리 팩으로 구성되고, 상기 BMS는 상기 배터리 충전부의 충전량을 제어하며, 과충전 예측시에 상기 발전부에 의한 발전을 중단하도록 제어하고, 상기 배터리 충전부는 상기 BMS와의 통신 이상시에 충전을 중단하도록 하며, 상기 블레이드는, 전기차에 구비된 풍속센서에 의한 풍속에 따라, 특정 각도로 플랩되는 가변형 플랩 블레이드 및 상기 가변형 플랩 블레이드를 일정각도 범위에서 펼치거나 접도록 하는 액추에이터로 구성되고, MCU의 동적평형 제어 알고리즘을 통해, 풍속에 따라 받음각을 변화시키도록 하고, 상기 회전판의 일측면 또는 양측면에는, 상기 영구자석과 중첩되지 않도록, 다수의 방열홀이 형성되고, 상기 회전부와 상기 발전부 사이에 원심 관성 기어 모듈이 형성되고, 상기 원심 관성 기어 모듈은 상기 샤프트의 종단에 형성된 선기어와, 내측에서 상기 선기어와 치합하는 3개 또는 5개의 편심 질량 기어와, 외측에서 상기 편심 질량 기어와 치합하는 링기어와, 상기 링기어의 회전력을 상기 발전부로 전달하는 회전축으로 구성되고, 상기 편심 질량 기어는 내부에서 이동가능한 관성 추를 구비하는, 풍력발전 시스템을 구비한 전기차 운영 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 블레이드는 상기 슬릿에 대향하는 오목형 블레이드(concave-type blade)로 형성되고, 탄소섬유 강화 복합재로 구성되는 것을 특징으로 하는, 풍력발전 시스템을 구비한 전기차 운영 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 발전부는, 제1회전판과 상기 제1회전판의 양측면에 고정된 제1영구자석으로 구성되는 제1회전자와, 상기 제1회전자의 일측에 이격되어 형성되는 제2회전판과 상기 제2회전판의 일측면에 고정된 제2영구자석으로 구성되는 제2회전자와, 상기 제1회전자의 타측에 이격되어 형성되는 제3회전판과 상기 제3회전판의 일측면에 고정된 제3영구자석으로 구성되는 제3회전자와, 상기 제1회전자와 상기 제2회전자 사이에 배치되는 제1고정자와, 상기 제1회전자와 상기 제3회전자 사이에 배치되는 제2고정자로 구성되는 것을 특징으로 하는, 풍력발전 시스템을 구비한 전기차 운영 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 코일은 상기 고정판에 무철심으로 권선되고, 고온 초전도체 또는 고전도 구리 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 풍력발전 시스템을 구비한 전기차 운영 시스템.

Description

풍력발전 시스템을 구비한 전기차 운영 시스템{ELECTRIC VEHICLE OPERATION SYSTEM EQUIPPED WITH WIND POWER GENERATION SYSTEM} 본 발명은 풍력발전에 의해 생성된 전력을 이용하여 주행이 가능하도록 전기차의 배터리로 안정적으로 공급하도록 하는, 풍력발전 시스템을 구비한 전기차 운영 시스템에 관한 것이다. 주지하는 바와 같이, 화석연료를 동력원으로 하는 자동차를 대체하기 위한 수단으로 전기자동차의 개발이 활발히 이루어지고 있다. 이는 최근 유가가 급등하는 상황과 함께 화석연료의 고갈 우려와 특히 화석연료를 동력원을 사용할 경우 자동차 매연과 같은 환경오염의 문제도 심각하게 대두되고 있기 때문이다. 이로 인해 자동차 산업분야에서는 가솔린이나 디젤을 연료에 대체할 수 있는 하이브리드 자동차, 전기자동차, 연료전지 자동차, 수소자동차 등의 미래형 자동차에 대한 개발이 최대의 관심사로 대두되고 있는데, 종래의 개발된 전기자동차는 전기를 일정량 충전하여 도로를 주행하게 되고, 충전된 배터리를 소모하면 다시 충전하여 사용하게 되는데, 자동차의 전기를 충전하는 충전소가 많이 활성화되지 않아 충전이 쉽지 않은 실정이다. 이에, 자동차의 주행중에, 특히 다양한 환경과 기후조건에서, 특히 저풍속에서도 전기를 생산하여 이를 배터리로 공급하여서 주행거리를 늘릴 수 있는 전기자동차의 개발이 요구되고 있는 실정이다. 도 1은 본 발명의 실시예에 의한 풍력발전 시스템을 구비한 전기차 운영 시스템을 도시한 것이다. 도 2는 도 1의 풍력발전 시스템을 구비한 전기차 운영 시스템의 전기차에 대한 적용을 예시한 것이다. 도 3은 도 1의 풍력발전 시스템을 구비한 전기차 운영 시스템의 발전부를 예시한 것이다. 도 4는 도 3의 풍력발전 시스템을 구비한 전기차 운영 시스템의 발전부의 분해도를 예시한 것이다. 도 5는 도 3의 발전부의 단면도를 예시한 것이다. 도 6은 도 1의 풍력발전 시스템을 구비한 전기차 운영 시스템의 회전부를 예시한 것이다. 도 7은 도 1의 풍력발전 시스템을 구비한 전기차 운영 시스템의 코일의 권선구조를 예시한 것이다. 도 8은 도 1의 풍력발전 시스템을 구비한 전기차 운영 시스템의 구현도를 예시한 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조로 전술한 특징을 갖는 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하고자 한다. 본 발명의 실시예에 의한 풍력발전 시스템을 구비한 전기차 운영 시스템은, 전기차(10)의 전면 범퍼(11)의 내부에 장착되며, 전면 범퍼(11)의 횡방향으로 연장되는 샤프트(111)와, 샤프트(111)의 둘레에 축방향으로 다수의 블레이드(112a)가 일정각도로 이격되어 배치되어서 전면 범퍼(11)의 개방된 슬릿(12)을 통해 유입되는 공기에 의해 회전하는 회전팬(112)으로 구성되는, 회전부(110), 샤프트(111)의 일측 종단에 고정되는 회전판(121a)과, 회전판(121a)의 일측면 또는 양측면에 방사상 방향으로 일정 간격을 두고 배치되는 다수의 영구자석(121b)으로 구성되는 회전자(121), 회전자(121)에 인접하여 배치되고, 영구자석(121b)에 대향하여 권선된 코일(122a)과 코일(122a)을 지지하는 고정판(122b)으로 구성된 고정자(122), 고정자(122)를 전기차(10)의 차체 프레임(13)에 고정하는 고정프레임(123), 및 고정프레임(123)의 상단에 형성되어 코일(122a)로부터 생성되는 전원을 출력하는 전원단자(124)로 이루어진, 발전부(120), 발전부(120)에 의해 생산된 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 전력 조절부(130), 전력 조절부(130)에 의한 직류 전원을 저장하는 배터리 충전부(140), 및 배터리 충전부(140)의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 전기차의 구동모터(20)로 공급하는 인버터(150)를 포함하여, 풍력발전에 의해 생성된 전력을 이용하여 주행이 가능하도록 전기차의 배터리로 안정적으로 공급하도록 하는 것을 요지로 한다. 이하, 도 1 내지 도 8을 참조하여, 전술한 구성의 풍력발전 시스템을 구비한 전기차 운영 시스템을 구체적으로 상술하면 다음과 같다. 우선, 회전부(110)는 주행중 또는 정차중 유입되는 바람에 의해 회전하는 구성으로서, 도 1, 도 2 및 도 6을 참고하면, 전기차(10)의 전면 범퍼(11)의 내부에 장착되며, 도 2의 (a)에 예시된 바와 같이 전면 범퍼(11)의 횡방향으로 연장되어 회전자(121)에 결합되는 샤프트(111)와, 샤프트(111)의 둘레에 축방향으로 다수의, 예컨대 4개의 블레이드(112a)가 일정각도로, 즉 90°로 상호 이격되어 배치되어서, 주행 중 또는 바람이 부는 상황에서 정차 중에, 전면 범퍼(11)의 개방된 슬릿(12)을 통해 유입되는 공기에 의해 회전하는 회전팬(112)으로 구성된다. 여기서, 도 6에 예시된 바와 같이, 블레이드(112a)는 샤프트(111)의 길이방향으로 연장되어, 슬릿(12)에 대향하는 오목형 블레이드(112a)(concave-type blade)로 형성되어서, 1.5m/s 내지 2.0m/s의 미세한 퐁속에도 민감하게 반응하여 회전을 개시하여 저풍속 상황에서도 회전 개시 임계 풍속을 낮출 수 있고, 슬릿(12)을 통해 유입되는 공기와의 접촉면적을 확장하고 공기와의 접촉시간을 늘려 회전팬(112)의 회전 토크를 증가시켜 발전효율을 향상시킬 수 있다. 한편, 블레이드(112a)는 탄소섬유 강화 복합재로 구성되어서, 초경량화가 가능하여 저풍속에서도 쉽게 회전을 개시할 수 있으며, 외부 바람에 의한 충격 또는 고속 회전으로 인한 뒤틀림 등의 변형을 최소화하고, 금속 대비 공진 주파수가 낮아 회전소음이 상대적으로 적고 진동흡수 성능이 양호하여 내구성을 향상시킬 수 있다. 또한, 도시되지는 않았으나, 블레이드(112a)는, 전기차(10)에 구비된 풍속센서에 의한 풍속에 따라, 특정 각도로 플랩되는(flap) 가변형 플랩 블레이드 및 가변형 플랩 블레이드를 일정각도 범위에서 펼치거나 접도록 하는 액추에이터로 구성되어서, MCU(160)의 동적평형 제어 알고리즘을 통해, 풍속에 따라 받음각(attack angle)을 변화시키도록 하여, 상대적으로 저속에서는 받음각을 크게 하여 회전력을 향상시키고, 상대적으로 고속에서는 받음각을 작게 하여 구조적 파손 위험을 방지하고, 1.5m/s 내지 25.0m/s의 풍속 범위에서 안정적인 회전을 제공하도록 할 수 있다. 예컨대, 1.5m/s 내지 5.0m/s의 풍속에서는 가변형 플랩 블레이드의 플랩 각도를 20° 내지 25°로 제어하여 회전력을 확보하도록 하고, 20.0m/s 내지 25.0m/s의 풍속에서는 가변형 플랩 블레이드의 플랩 각도를 5° 내지 10°로 제어하여 과속을 방지하고 하중을 최소화하도록 할 수 있다. 또한, 도시되지는 않았으나, 슬릿(12)은 차단형 커버와, 차단형 커버의 후단에 형성된 필터의 이중 구조로 형성되고, 먼지센서, 습도 센서 등의 계측값에 따른 MCU(160)의 제어에 따라, 오프로드 주행, 모래폭풍 발생, 강우 또는 강설시에는 차단형 커버를 통해 슬릿(12)을 폐쇄하여 먼지, 모래, 우수 등의 유입을 차단하도록 하고, 평상시 주행 중 또는 주차 중에는 차단형 커버를 개방한 상태에서 필터에 의해 슬릿(12)으로 유입될 수 있는 이물질을 차단하여 발전을 지속하면서도 발전부(120)의 손상을 최소화하도록 할 수 있다. 여기서, 먼지센서는 먼지입자와 모래입자를 식별하는 레이저 산란 센서, AI카메라에 의한 이미지분석에 기반한 이미지 기반 센서, 또는 입자의 밀도와 흐름을 실시간 감지하는 적외선 및 라이다 센서일 수 있다. 또한, 슬릿(12)은 외부에서 내부로 점진적으로 좁아지는 포물곡선형의 노즐 형상, 예컨대 내부의 출구가 외부의 입구에 비해 60% 내지 70%로 면적이 좁아지도록 형성되어서, 풍속이 극대화되어 회전팬(112)으로 전달되도록 할 수도 있다. 다음, 발전부(120)는, 회전부(110)에 의한 회전력에 의해 전원을 생성하는 구성으로서, 도 1 내지 도 3을 참고하면, 샤프트(111)의 일측 종단에 고정되는 디스크 형상의 회전판(121a)과, 회전판(121a)의 일측면 또는 양측면에 방사상 방향으로 일정 간격을 두고 배치되는 다수의 영구자석(121b)으로 구성되는 회전자(121), 회전자(121)에 인접하여 배치되고, 영구자석(121b)에 대향하여 권선된 코일(122a)(도 7 참조)과 코일(122a)을 지지하는 디스크 형상의 고정판(122b)으로 구성된 고정자(122), 고정자(122)를 전기차(10) 하부의 차체 프레임(13)의 전단에 고정하는 좌우 한쌍의 고정프레임(123), 및 고정프레임(123)의 상단에 형성되어 코일(122a)로부터 생성되는 전원을 출력하는 전원단자(124)로 이루어진다. 즉, 발전부(120)는 회전부(110)와 연동하여 회전하는 회전자(121)와 고정자(122) 사이의 자속 변화에 의해 발생하는 유도 전압에 의한 교류 전원을 생성하여 배터리 충전부(미도시)로 출력하도록 한다. 여기서, 영구자석(121b)은 네오디뮴, 사마륨-코발트(SmCo), 페라이트 자석(Ferrite), 알니코(AlNiCo) 등으로 구성될 수 있다. 또한, 회전판(121a)의 일측면 또는 양측면에는, 영구자석(121b)과 중첩되지 않도록, 다수의 방열홀(미도시)이 형성되어, 방열면적을 확장하여 회전판(121a)의 회전시 발생하는 발열을 효과적으로 방열하도록 할 수도 있다. 또한, 고정프레임(123)은 차체 프레임(13)에 진동흡수패드(미도시)를 개재하여 고정되어서, 주행중 전달되는 진동을 흡수하여 발전부(120)의 내구성을 높이도록 할 수 있는데, 예컨대, 상부에 고정프레임(123)이 고정되고 수직방향진동을 흡수하는 EPDM 폼 등의 압축성 소재층과, 수평방향진동을 흡수하도록 방사형으로 형성된 보강 리브층과, 인서트를 통해 차체 프레임(13)에 고정되고 보강 리브층의 하단에 형성되어 충격을 분산하는 벌집형 구조의 격자 프레임으로 구성되어서, 상하 좌우의 진동을 완화하고, 충격을 분산하여 발전부(120)로 전달되는 진동을 최소화하도록 할 수도 있다. 또한, 도 4를 참고하면, 앞서 언급한 고정자(122)와, 좌우 한쌍의 고정프레임(123)은 스터드볼트