전기 자전거의 회생에너지를 이용한 소형 배터리 충전 시스템

목차

1. 과제 필요성

2. 주요 부품 개요

3. 개념설계 및 상세설계

4. 기대효과 및 개선 방향

5. 참고 문헌

6. 사용한 소프트웨어 및 실험 기기

본문내용

된다.
발전 모드로써 작동을 하게 되면 3상 BLDC 모터는 3상 교류 발전기의 기능을 하게 되며 모터를 통해서 나오는 3상 교류 전원을 3상 브리지 전파 정류 회로를 통하여 직류 전원으로 바뀌게 된다. 이렇게 해서 나오는 전원을 LM7812를 통하여 12V로 정전압을 만들어주고, 이 전원을 이용하여 니켈 수소 전지를 충전하게 된다. 그리고 니켈 수소 전지에서 다시 LM7805를 통하여 5V 정전압을 만들어주고 소형 기기를 작동하게 된다.
3.2 상세 설계 및 회로도
3.2.1. 동작 모드
1) 브레이크의 on/off
브레이크를 잡지 않은 채로 두면 on, 잡으면 off가 된다. 다음 사진을 보면 브레이크 자체가 하나의 스위치와 같은 역할을 하고 있음을 알 수 있다.
2) Relay의 모드 변환
브레이크를 잡지 않은 채로 두면 스위치는 on이므로 주행 모드로써 작동을 하게 된다. 브레이크를 잡을 경우는 스위치가 off가 되면서 동작 모드가 주행 모드에서 발전 모드로 회로가 이동하게 된다.
3.2.2. 충전
1) 3상 브리지 전파 정류 회로
3상 BLDC 모터를 통하여 발전되어 나오는 교류 전원을 브리지 전파 정류 회로를 통하여 직류 전원으로 정류시켜주면 15~25V의 출력 전압이 나온다.
※ 모터와 역기전력
본 과제에서 사용한 BLDC 모터는 고정자가 코일, 회전자가 자석이다. 모터에서 회전자를 외부의 힘을 이용하여 돌리고, 오실로스코프를 이용하여 3상 전원 입력 단자에서 두 상의 선간 전압을 측정해보면 sin파형으로써 전압이 검측 된다.
이렇게 전압이 발생되는 원리는 오른손의 법칙에 의해 힘과 자기장의 컬방향으로 전력이 유도 되기 때문이다. 즉, 유도된 자기장의 변화를 막으려는 방향으로 또 다시 유기되는 역기전력을 이용하여 전력을 얻을 수 있다. 역기전력을 이용하여 발전할 경우 전기로 모터를 구동할 때 보다 전압은 높게 전류는 낮게 나온다. 역기전력은 코일을 통과하는 자속의 변화량에 비례하므로 축을 빨리 돌릴수록, 잔류자속밀도가 센 자석을 사용할수록 값이 높게 나온다.
2) 정전압 충전 회로
15~25V의 전원을 이용하여 12V(1.2V×10)의 배터리를 충전해야 하는데 본 과제에서 선택한 충전 회로는 정전압 충전회로이므로 LM7812를 통하여 12V의 정전압으로 만들어준 후 충전을 하게 된다. 그리고 충전이 되는지는 LED의 점등 여부를 통하여 확인할 수 있다. 또한 이 LED는 역전류를 방지해주는 다이오드의 단방향성의 기능도 해주게 된다.
3) 충전 회로도
3.2.3. 소형 기기 작동
1) USB 전원 공급
소형 기기에 전원을 공급함에 있어서 가장 보편적인 방법은 USB를 통한 전원 공급이다. 현재 출시되는 대부분의 소형 전자 기기들은 USB포트를 통하여 전원을 공급 받아 충전을 하는 시스템을 가지고 있다. 이에 맞추어 충전된 12V의 배터리에서 LM7805를 통하여 정전압 회로를 만들어 주고 이렇게 만들어진 정전압 회로를 통하여 USB에 전원을 공급한다.
2) 소형 기기 전원 공급 회로도
3.2.4. 실제 회로 구성 사진
4. 기대효과 및 개선 방향
기존에 나와 있는 전기 자전거를 이용하여 조금 더 에너지를 효율적으로 사용할 수 있는 전기자전거를 만들기 위해서 연구했다. 모터를 제동할 시에는 회생 제동 에너지가 필연적으로 발생하게 되고 이러한 에너지는 보통 저항으로 태워버리게 된다. 하지만 본 과제에서는 이러한 회생 제동 에너지를 저항으로 태우는 것이 아니라 배터리에 충전을 할 수 있는 시스템을 만들기 위해서 노력을 했다. 회생 제동 에너지로 배터리를 충전하고 그렇게 충전된 전력을 소형기기를 작동시킬 수 있도록 구현하여 에너지를 최대한 절약하고자 하였다.
개선 방향을 생각해보면 회생 제동 에너지를 소형 배터리에 충전하는 것이 아니라 모터 구동 배터리에 충전을 하는 시스템을 생각해 볼 수 있다. 본 과제에 이용된 모터에서는 많지 않은 양의 전력이 생산되었다. 그리고 이렇게 적은 전력을 충전 시스템으로 옮기는 과정에서 레귤레이터를 통하여 상당 부분이 손실되었다. 따라서 회생 제동 에너지를 충전 에너지로 전환함에 있어서 조금 더 효율적인 회로를 구성하여서 충전을 할 수 있다면 더욱 많은 에너지를 절약할 수 있을 것이다.
그리고 본 과제의 첫 목표는 모터 구동 배터리에 전력을 충전하는 것이었다. 하지만 모터를 통하여 발전되는 전압이 모터 구동 배터리 충전 전압 조건보다 작은 값이 나왔다. 그래서 이를 승압해 보았으나 이번에는 전류가 너무 작아져 결국 어떠한 방식으로도 모터 구동 배터리의 충전 조건을 만족하지 못하였다. 본 과제에서 사용된 36V 리튬 이온 배터리의 내부 구조를 살펴보면 3.6V의 리튬이온 베터리 셀10개가 직렬로 연결되어 있는 것을 알 수 있다. 그리고 각각의 셀 배터리에 고르게 전력을 충전시켜주는 기술을 BMS(Battery Manager System)이라고 한다. 만약 본 과제에 사용된 모터를 통하여서 모터 구동 배터리를 충전하고자 한다면 BMS 기술을 습득하여 모터 구동시에는 리튬이온 셀을 직렬로 연결하여 구동하고, 충전을 할 때에는 병렬로 연결하여 충전을 할 수 있는 시스템을 구현할 수 있다면 본 과제에 사용된 모터를 통하여서 모터 구동 배터리를 충전할 수 있을 것이다.
5. 참고 문헌
창의적 과제의 문제 해결에 도움이 된 인물, 자료, 사용한 소프트웨어, 사용한 실험 기기 등 명시
1) 『전자회로(Electronic Circuits)』, 김희준 저, SciTech
2) 『Principles of Electric Machines and Power Electronics』, P.C. Sen 저, Wiley
3) 『(그림으로 알 수 있는) 모터의 구조』, 티니코시 킨지 저, 현영창 역, 세화
4) 『전지의 기초 』, 서촌소의 저, 손영대 역, 성안당
6. 사용한 소프트웨어 및 실험 기기
1) OS : Windows XP
2) 회로 Simulation : OrCAD 10.5
3) Presentation : Power Point 2007
4) 보고서 작성 : 한글 2007
5) 디지털 테스터기, 오실로스코프, 전원 공급 장치, 인두기

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전기,   자전거,   회생,   에너지,   소형,   배터리,   충전,   시스템