KR101093897B1 - 카멜레온 하이브리드카 및 그 구동방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하이브리드카에 관한 것으로서, 자동차의 주행 상황, 예를 들어 주행 속도, 주행 거리 및 배터리 잔량 등의 주행 변수를 고려하여 전기차, 직렬형 하이브리드카, 병렬형 하이브리드카, 일반 엔진차 모드 및 회생발전모드로 전환하여 구동할 수 있도록 함으로써 최고 출력과 최고 속도와 같은 주행 성능을 향상시키고 연비를 획기적으로 개선할 수 있도록 개발된 카멜레온형 하이브리드카 및 그 구동방법에 관한 것이다.
본 발명에서는 엔진, 상기 엔진의 출력축에 동력 연결되는 변속기 클러치, 구동모터 및 변속기, 상기 엔진의 출력축 상에 또는 이와 나란한 별도의 발전기 입력축 상에 형성되는 발전용 클러치 및 제2발전기를 구비하여 변속기 클러치와 발전용 클러치를 필요에 따라 선택적으로 또는 동시 연결할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

Description

카멜레온 하이브리드카 및 그 구동방법{CHAMELEON HYBRID CAR AND AN OPERATING METHOD OF THE SAME}

본 발명은 하이브리드 자동차에 관한 것으로서, 상세하게는 종래의 직렬형과 병렬형 하이브리드 자동차의 장점은 그대로 살리고 단점은 개선하여 전력소비상태나 주행상태에 따라서 전기차, 직렬형, 병렬형, 엔진 주행 모드 또는 회생발전모드로 전환하여 구동함으로써 주행 성능 개선과 연비향상 및 배기가스 절감을 이룰 수 있도록 한 카멜레온 하이브리드 자동차 및 그 구동방법에 관한 것이다.

일반적으로 하이브리드 자동차란 기존의 내연기관 엔진에 전기모터를 가진 2개의 동력장치로 구동하는 자동차를 말하는 것으로서 성능을 향상시키고 연비를 개선하며, 대기오염을 줄이기 위한 방법으로 동작원리가 다른 두 종류 이상의 구동원을 효율적으로 조합하여 자동차를 구동시키는 시스템을 말한다.

이러한 하이브리드 자동차 중 내연기관 엔진과 전동모터를 사용하는 하이브리드 자동차는 그 시스템과 동작기전에 따라 크게 3가지로 구분할 수 있는데, 직렬형 하이브리드 자동차, 병렬형 하이브리드 자동차 및 복합형(직/병렬식) 하이브리드 자동차가 그것이다.

도7은 종래의 분류에 따른 하이브리드 자동차의 각 동력 계통도로서, 도7의 (a)는 병렬형, (b)는 직렬형 그리고 (c)는 복합형을 나타낸 것이다.

직렬형 하이브리드 자동차는 엔진과 모터를 가지고 있지만, 엔진은 전기만 생산하여 모터 및 배터리에 전기를 공급하고 자동차를 주행하는 바퀴를 구동시키는 힘은 전기모터만 사용하는 시스템이다.

병렬형 하이브리드 자동차는 엔진과 모터를 모두 가지고 있으면서 엔진과 모터가 모두 바퀴를 구동시키는 힘을 제공한다. 이때 전기모터는 엔진의 출력을 보완하는 동시에 자동차 주행시 내리막 또는 감속 주행에서 고전압을 발생시켜 자동차 배터리에 충전하는 발전기의 역할도 아울러 수행한다. 또한 전기모터만으로 바퀴를 구동할 수 있기 때문에 전기자동차와 같이 엔진을 작동시키기 않고 자동차를 주행시킬 수 있다. 하지만 모터가 1개이기 때문에 바퀴 구동과 배터리 충전을 동시에 할 수 없는 한계도 가지고 있다.

복합형 하이브리드 자동차는 한 개의 엔진과 두 개의 모터로 구성되어 직렬식과 병렬식 하이브리드 시스템의 기능을 모두 가지고 있다. 이 시스템에는 모터가 2개 장착되어 있고 그 중 한 개의 모터가 엔진에 의하여 전기를 발전한다. 이 전기는 배터리를 충전하거나 2번째 모터를 구동하는데 사용된다. 이 복합형 하이브리드 자동차 시스템은 엔진, 모터 및 발전기의 동력을 분할/통합하는 유성기구인 동력분배장치를 채택하여 효율적으로 동력을 분배하고 있으며 회생제동 효율이 비교적 우수하고 연비가 좋은 장점을 가진다.

그런데 위의 직렬형의 경우 대표적인 것으로서 시보레 볼트를 들 수 있는데 플리그인 충전한 전력으로 주행하다가 전력이 부족해지면 엔진이 자동으로 시동 되며 대용량의 발전기를 돌려 전기를 생산하는 방식을 취한다. 직렬형의 경우 연비의 개선은 주로 플러그인으로 충전된 배터리에 의하여 달성된다. 즉 전기료가 싸므로 야간에 약 4시간 충전된 배터리로 한 번에 약 80km를 주행하게 된다(시보레 볼트의 경우). 따라서 하루 주행거리가 80km 이하인 경우 기름 한 방울 소비하지 않고 전기로만 구동하게 된다. 그 이상의 주행거리를 주행하고자 하면 엔진의 시동이 걸려 엔진으로 대용량 발전기를 돌려 전기를 생산하여 모터를 돌리는데 이 경우에는 연비가 떨어진다. 즉, 에너지 전환효율로 인하여 연료를 연소시켜 엔진을 구동하는 과정에서 손실이 있으며, 엔진의 구동에 의하여 발전기에서 전력을 생산하는 과정에서의 손실이 있으며, 생산된 전력으로 전동모터를 구동하는 과정에서 손실이 발생한다.

그러므로 최적의 엔진 회전수와 발전기 용량이 계산되어 적용되어야 하며, 모터의 제한된 성능으로 인하여 가속 성능 및 최고 속도가 제한된다. 이를 해결하기 위하여 고성능 모터로 바꾸면 가속 성능 및 최고 속도는 개선되나 그에 따라 배터리의 전력소모가 심해지며, 엔진에서 생산되는 전력도 빠르게 소모되므로 결국은 주행 가능 거리가 줄어들고 연비는 떨어지는 문제가 있다.

병렬형의 대표적인 것으로는 소나타 하이브리드를 들 수 있으며 정지에서 출발은 모터가 구동하고, 일정 속도(주로 저속으로서 약 30km/h) 이상에서는 엔진이 자동으로 시동이 걸리며, 가속시에는 엔진과 모터가 같이 구동하고 감속시에는 모터를 발전기로 이용하여 회생 전기를 생산한다. 엔진은 직렬형에서는 전적으로 발전 기능만을 담당하나 병렬형에서는 약간의 발전과 엔진의 직접구동이 주요한 기능으로 구동한다. 정지 후 공회전시에는 엔진이 자동으로 정지하는 공회전 정지 기능(ISG)을 가지는데, 현재의 병렬형 하이브리드 자동차의 경우 전동모드에서 엔진구동모드로의 전환 속도 구간(약 20~30km/h)이 너무 낮아 모터에서 엔진으로 및 엔진에서 모터로의 전환이 너무 자주 일어나게 된다. 이를 해결하기 위하여 고성능 모터를 달아 모드 전환속도 한계를 올릴 수 있으나 그에 따라 배터리 소모가 심화되고 엔진에 연결되어 항시 구동하는 제1발전기의 전력량으로는 턱없이 부족하게 된다.

이러한 단점을 개선하기 위하여 등장한 복합식(직/병렬) 하이브리드 자동차의 경우에는 위에서 기술한 문제점을 어느 정도 해결하고 있으나, 유성기어의 조합인 동력분배장치를 통하여 동력이 분할/병합되므로 에너지 잠식이 크고 배터리의 전력부족시 엔진이 수순하게 발전기만을 돌려 신속하고 효율적으로 발전할 수 없는 구조라는 단점이 존재한다.

따라서, 직렬형과 병렬형의 단점을 개선하고 장점은 수용하되, 자동차의 주행속도와 배터리 잔량에 따라 순수한 전기자동차형, 직렬형, 병렬형, 일반 내연기관형 및 회생발전모드의 5가지 구동모드를 모두 구현할 수 있도록 하는 동력장치와 그 구동방법의 개발이 요청되었다.

공개특허 특1998-077935호 "하이브리드 전기 자동차의 구동장치" (공개일자: 1998.11.16) 등록특허 제0300716호 "자동차의 하이브리드 무단 변속시스템" (등록일자: 2001.06.19) 등록특허 제0342017호 "하이브리드 자동차의 동력 전달 장치"(등록일자:2002.06.12) 공개특허 특2001-0036649호 "하이브리드 전기자동차의 구동장치"(공개일자: 2001.05.07) 공개특허 10-2011-0046344호 "혼합 하이브리드"(공개일자: 2011.05.04)

본 발명에서는 하이브리드카의 배터리의 기준 잔량, 모터 가동 구간과 엔진 가동 구간의 경계인 기준 속도(임계 속도) 등의 상황 변수에 따라 자동차의 구동 형태가 전기차, 직렬형 하이브리드카, 병렬형 하이브리드카, 일반 엔진차 모드 및 회생발전모드로 자동으로 전환되도록 함으로써 하이브리드카의 출력, 최고 속도와 같은 주행 성능과 연비를 동시에 개선하는 것을 그 목적으로 한다.

특히, 본 발명에서는 종래 하이브리드카와는 달리 발전용 클러치에 의하여 엔진 출력에 동력 연결 또는 해제되는 제2발전기를 구비하고, 배터리 잔량, 주행 속도, 주행 경사 및 공회전 상태 등의 상황 변화에 따라 제2발전기나 변속기가 선택적으로 엔진 출력축에 연결되도록 함으로써 발전 또는 모터 어시스트 기능을 발휘하게 함으로써 연비를 개선하고 구동모터의 가동 속도 및 주행 구간을 늘릴 수 있도록 개선된 카멜레온 하이브리드카 및 그 구동방법을 제공하는 것을 주요한 목적으로 한다.

전술한 기술적 과제의 해결을 위하여 본 발명에서는, 동력원으로서 모터와 엔진을 함께 구비하여 구동하는 하이브리드카에 있어서, 내연기관 엔진과 엔진의 회전력을 출력하는 엔진 출력축; 상기 엔진의 일측 엔진 출력축 상에 형성되는 변속기 클러치, 구동모터 및 변속기; 상기 구동모터에 연결되는 배터리; 상기 엔진과 동력 연결되어 항시 구동하며 상기 배터리에 연결되는 제1발전기; 및 발전용 클러치에 의하여 상기 엔진 출력축에 동력 연결 또는 해제되며, 상기 배터리에 연결되는 제2발전기를 포함하여 구성하되, 상기 발전용 클러치와 제2발전기는 상기 변속기 클러치가 형성되는 엔진 출력축과 평행하게 배치되어 엔진 출력축에 동력 연결되는 발전기 입력축 상에 형성되어 자동차의 주행 상황에 따라 상기 변속기 클러치 또는 발전용 클러치가 선택적으로 엔진 출력축에 동력 연결되고, 엔진 브레이크 상황에서는 동시에 엔진 출력축에 동력 연결되는 것을 특징으로 하는 카멜레온 하이브리드카를 제안한다.

여기서, 상기 배터리에는 가정용 전기를 충전할 수 있는 플러그인용 고전압 배터리가 더 연결되는 것이 바람직하다.

이때, 상기 엔진 출력축과 발전기 입력축은 기어, 체인과 스프로켓, 풀리와 벨트 중에서 선택되는 어느 하나의 동력 전달수단에 의하여 동력 연결되도록 구성할 수 있다.

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상기 엔진 출력축 상에는 구동 가변풀리가 형성되고, 상기 발전기 입력축 상에는 피동 가변풀리가 형성되며, 상기 구동 가변풀리와 피동 가변풀리는 구동 벨트에 의하여 연결되도록 구성하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 발전용 클러치와 제2발전기 사이에는 엔진 출력축의 회전 관성력을 전달받을 수 있도록 플라이휠이 추가로 설치될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 엔진과, 상기 엔진에 의하여 항시 구동하는 제1발전기와, 상기 엔진의 출력축 상에 형성되는 변속기 클러치, 구동모터, 변속기와, 상기 엔진 출력축에 동력 연결되는 발전용 클러치 및 제2발전기와, 상기 제1발전기, 구동모터 및 제2발전기에 연결되는 배터리를 포함하여 구성되는 카멜레온 하이브리드카를 구동하는 방법으로서, 가) 주행 속도가 미리 설정된 기준 속도 이하이고, 주행 거리가 미리 설정된 기준 거리 이하인 경우에는 엔진의 시동은 꺼진 상태를 유지하고, 구동모터만이 차륜축을 구동하는 동력원으로서 작동하는 단계; 나) 배터리의 잔량이 미리 설정된 기준 잔량 이상이고, 자동차의 주행 속도가 기준 속도 이상인 경우 엔진이 시동 되고, 발전용 클러치는 해제 상태를 유지하며, 변속기 클러치가 연결되어 엔진과 구동모터가 차륜축을 구동하는 동력원으로서 작동하는 단계; 다) 주행 속도는 기준 속도 이하이나 배터리의 잔량이 기준 잔량 이하인 경우 엔진이 시동 되고, 변속기 클러치는 해제 상태를 유지하며, 발전용 클러치가 연결되어 엔진이 제2발전기를 돌려 발전하고 구동모터가 차륜축을 구동하는 동력원으로서 작동하는 단계; 라) 배터리의 잔량이 기준 잔량 이하이고, 주행 속도가 기준 속도 이상인 경우 엔진이 시동 되고, 발전용 클러치는 해제 상태를 유지하고, 변속기 클러치가 연결되어 엔진이 차륜축을 구동하는 동력원으로서 작동하는 단계; 마) 엔진 브레이크로 감속시 엔진은 시동 상태를 유지하고, 제1발전기, 제2발전기 및 구동모터가 모두 엔진에 동력 연결되어 회생 발전을 하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 카멜레온 하이브리드카의 구동방법이 제안된다.

여기서, 엔진이 공회전하는 동안 배터리의 잔량이 기준 잔량 이하인 경우 변속기 클러치가 해제되고, 발전용 클러치가 동력 연결되어 제1 및 제2발전기를 통하여 배터리를 충전하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 엔진이 공회전하는 동안 배터리의 잔량이 기준 잔량 이상인 경우 공회전 정지(ISG) 기능이 작동함으로써 엔진의 시동이 꺼지고, 변속기 클러치 및 발전용 클러치의 연결이 모두 해제되는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

한편, 주행 속도가 기준 속도 이하라도 급가속의 경우에는 엔진이 시동 되고 변속기 클러치가 연결되며 발전용 클러치는 해제 상태가 되어 엔진과 구동모터가 함께 차륜축을 구동하는 동력원으로서 작동하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 의하면 기존 하이브리드카의 형태나 구조를 크게 변화시키지 않고 기본적인 틀은 유지하면서도 자동차의 주행상태에 최적화된 구동모드를 선택하여 주행 및 발전을 하게 되므로 구동모터의 전용 구간 임계 속도, 최고 출력 및 연비 향상을 이룩할 수 있게 된다.

즉, 자동차의 주행 상황에 따라 전기차처럼 구동모터와 충전된 배터리만으로 구동하는 전기차 모드, 엔진의 출력으로 제1 및 제2발전기를 돌려 전력을 생산하면서 구동모터를 이용하여 구동하는 직렬형 하이브리드카 모드, 엔진과 구동모터가 동시에 출력에 관여하고 제1발전기를 통하여만 발전하는 병렬형 하이브리드카 모드, 엔진만으로 자동차의 출력을 감당하는 일반 내연기관 엔진차 모드 간을 필요에 따라 수시로 넘나들며 자동차를 주행하게 되므로 배터리의 성능이나 용량의 큰 개선 없이도 출력이나 속도의 증가 및 연비의 향상이 가능해진다.

더욱이 엔진 공회전시나 내리막 주행과 같은 상황에서 제1발전기, 제2발전기, 구동모터가 모두 회생 발전에 관여하게 되므로 버려지는 에너지의 회수 효율이 우수하고 결과적으로 연비 향상에 크게 기여할 수 있게 될 뿐 아니라 구동모터가 단독으로 자동차를 구동하는 기준 속도가 높아져 모터 구동 모드와 엔진 구동모드 간의 잦은 전환에 따른 에너지 비효율을 개선할 수 있게 된다.

도1은 본 발명의 제1실시예에 의한 하이브리드 자동차의 동력 계통도.
도2는 본 발명의 제2실시예에 의한 하이브리드 자동차의 동력 계통도.
도3은 본 발명의 제3실시예에 의한 하이브리드 자동차의 동력 계통도.
도4는 본 발명의 제4실시예에 의한 하이브리드 자동차의 동력 계통도.
도5는 본 발명의 제5실시예에 의한 하이브리드 자동차의 동력 계통도.
도6은 본 발명의 하이브리드 자동차의 구동방법의 일 예를 나타낸 동작 순서도.
도7은 종래의 분류에 따른 하이브리드 자동차의 각 동력 계통도의 일 예를 나타낸 도면.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구성과 작동원리에 관하여 상술한다. 이하에서 기술할 각 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 적용한 하나의 예에 불과하며 본 발명의 기술적 범위가 이에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니될 것이다.

위에서 설명한 것처럼 종래의 직렬형과 병렬형 및 이들의 조합형인 복합형 하이브리드 자동차의 경우 각각 장점과 단점을 가지고 있는 바 본 발명에서는 종래의 직렬형과 병렬형의 장점을 취하여 새로운 기능을 부가한 신개념(일명 카렐레온 하이브리드 자동차라고 정의한다)의 스트롱기스트 병렬형 하이브리드 자동차(stronggest parallel type hybrid car:so called chameleon hybrid car)에 관하여 개시한다.

시보레 볼트와 같은 직렬형 하이브리드카의 가장 큰 장점은 한 번 가득 충전된 전기로 80km 주행이 가능하여 일상 출퇴근에는 기름 한 방울 소비할 필요가 없다는 것이다. 단점은 한 번 가득 충전하고 주유하여 운행할 수 있는 총 주행거리는 610km를 간다고 하나 80km를 뺀 나머지 530km를 내연기관 엔진으로 발전하여 주행하므로 잔여 530km를 연료탱크의 용량으로 나누게 되면 연비가 일반 차량과 별차이가 없게 된다는 것이다. 즉, 미리 충전한 배터리의 전력이 모두 소모되고 난 다음에는 엔진을 구동하여 전기를 생산하여 구동모터를 돌리므로 그 에너지 효율이 낮아진다. 또한 모터 용량의 제한 때문에 가속능력이나 최고속도가 일반 내연기관 엔진차에 미치지 못하게 된다.

병렬형의 장점은 가속은 엔진과 모터가 동시에 구동하므로 힘이 좋아져 가속능력이나 최고 속도는 일반 차와 비교하여 별 차이가 없다. 단점으로는 모터가 전적으로 구동을 담당하는 속도 구간이 약 30km/h 정도로 작아 연비 개선효과가 그리 크지 않고 차라리 ISG(공회전 정지) 기능으로 인한 연비 개선 효과가 더욱 크다고 할 수 있다. 즉, 엔진의 출력을 전력 생산을 위한 발전과 모터 구동에 동시에 사용하므로 시보레 볼트처럼 더 큰 발전 용량의 발전기를 엔진에 연결할 수 없게 되고 결국 고성능 및 대용량의 구동모터를 적용하지 못하게 된다.

본 발명은 이러한 직렬형과 병렬형의 문제점을 개선하기 위하여 제안된 것으로서 연비 효율과 주행 성능의 극대화를 위한 직렬형을 닯은 스트롱기스트 병렬형의 카멜레온 하이브리드카의 구조 및 구동방법을 제공한다.

이하에서 기술할 본 발명의 실시예들에서는 야간에 값싼 전기를 배터리에 충전할 수 있는 플러그인 하이브리드카(Plug-in hybrid car)를 기본 개념으로 채택한 것들이나 플러그인 기능이 없는 하이브리드카를 배제하지 않는다.

도1은 본 발명의 제1실시예에 의한 하이브리드 자동차의 동력 계통도인데, 본 실시예의 동력 계통은 자동차의 전륜축(101)을 구동하기 위한 전륜 구동방식을 예로하고 있는데, 동일한 방식의 동력구조가 후륜 또는 4륜 구동에 동일하게 적용 가능하며 본 발명에서는 이를 배제하지 않는다.

본 발명에 따른 하이브리드 동력계통은 크게 엔진(110), 변속기(120), 구동모터(130), 제1발전기(141), 제2발전기(142), 변속기 클러치(121), 발전용 클러치(143) 및 배터리(150)를 포함하여 구성된다.

엔진(110)의 출력으로 회전하는 것으로서 엔진의 양 측으로 연장되는 엔진 출력축(110a,110b)의 일 측에는 변속기 클러치(121), 구동모터(130) 및 변속기(120)가 순서대로 동력 연결되고, 타 측에는 발전용 클러치(143) 및 제2발전기(142)가 순서대로 동력 연결된다.

엔진(110)에는 제2발전기(142)보다 발전 용량이 작은 제1발전기(141)가 엔진의 구동시 항시 구동할 수 있도록 장착되어 자동차의 운행에 필요한 기본적인 전력을 공급할 수 있도록 한다.

변속기(120)의 출력은 전륜축(101) 또는 미도시한 후륜축에 기어와 같은 동력 전달 수단에 의하여 전달된다.

상기 구동모터(130), 제1 발전기(141) 및 제2발전기(142)는 배터리(150)에 연결된다. 상기 배터리(150) 외에 별도로 플러그인 기능에 의하여 가정용 전기를 충전하기 위한 고전압 배터리가 구비될 수 있다.

이와 같은 구조를 가지는 본 발명의 카멜레온 하이브리드카(복합 가변형 하이브리드카,100)는 최고의 연비 효율을 가지면서도 가속 성능이나 최고 속도는 일반 내연기관 자동차와 비교하여 떨어지지 않는 직렬형과 병렬형의 하이브리드카를 조합한 스트롱기스트 병렬형의 하이브리드카이다. 본 발명에서도 당연히 플러그인 기능, ISG 기능, 회생 발전(회생 제동)기능, 모터 어시스트 기능, 전기차 구동 기능을 구현한다.

엔진이 전륜 구동식이라면 엔진과 변속기는 전륜에 위치하고 후륜에는 구동모터(하나에서 다수개 까지 가능)를 위치시킬 수 있다. 또는 소나타 하이브리드처럼 구동모터(130)를 전륜의 변속기 전이나 후에 연결할 수도 있다. 충전된 배터리만으로 시보레 볼트처럼 구동모터(130) 만으로 주행거리 약 80km를 주행한다. 구동모터(130)가 담당할 수 있는 속도 구간을 약 30km/h에서 약 80~100km/h로 올리기 위하여 출력이 강한 대용량 구동모터를 채택한다. 일반 시내 출퇴근 상황에서는 일상 주행거리가 60km를 넘지 않고 최고속도도 80km/h를 넘지 않는 경우가 많으므로 일반 출퇴근시에는 시보레 볼트처럼 엔진이 꺼져 있고 연료는 한 방울도 소비하지 않게 된다.

도시한 바와 같이 전륜측의 엔진(110)은 종래의 것과 같으나 변속기(120)가 붙은 반대쪽의 엔진 출력축(111b)에 대용량의 제2발전기(142)가 붙는다. 상기 제2발전기(142)는 발전용 클러치(143)에 의하여 엔진 출력축(111b)과 동력 연결 또는 해제되며 이는 제어장치에 의하여 자동으로 수행된다.

전기의 발전 효율은 저속 또는 고속이 아닌 최적의 발전효율을 가지는 최적 회전수를 가지므로 제2발전기(142)의 발전효율이 최적인 회전수가 되도록 엔진 출력축(111b)의 회전수를 제어한다. 즉, 엔진 출력축(111b)의 회전력이 제2발전기(142)의 구동에만 사용되는 경우 최적의 발전효율을 가지는 엔진 회전수를 제어장치에 의하여 계산한 후 이를 유지할 수 있도록 전자제어유닛을 구비한다.

본 실시예에서는 엔진(110)의 좌우 양 측으로 엔진 출력축(111a,111b)을 연장하여 인출한 후 일 측의 엔진 출력축(111a)에는 변속기 클러치(121)를 매개로 하여 변속기(120)와 구동모터(130)를 동력 연결하고, 타 측의 엔진 출력축(111b)에는 발전용 클러치(143)를 매개로 하여 제2발전기(142)를 동력 연결한다.

상기 변속기 클러치(121)와 발전용 클러치(143)의 위치 및 형태는 설계의 필요에 따라 다양하게 변화시켜 배치 및 설계할 수 있으며, 클러치의 형식으로는 건식 마찰 클러치형(dry type), 습식 클러치형(wet type), 콘형(cone type), 마그네틱(magnetic type)형 등이 선택될 수 있다.

상기 발전용 클러치(143)는 제2발전기(142)를 통하여 회생 에너지 회수 효율을 높이고 필요에 따라서는 엔진 동력을 통한 발전도 할 수 있도록 함으로써 자동차의 연비를 개선하기 위한 것이다.

내연기관을 사용하는 자동차는 엔진차, 하이브리드카를 막론하고 모두가 엔진에서 발생하는 에너지 중 상당 부분이 버려지는 비효율이 있다. 또 이들 중 일부를 회수하려고 회생 브레이크 등의 에너지 회수 시스템이 개발되었으나 아직은 만족할 만한 수준이 되지 못한다.

본 발명의 제2발전기(142)는 엔진 출력축(111a,111b)의 연장선 상에서 엔진(110)의 전·후에 직접 연결하거나 엔진 출력축(111a,111b)과 평행한 발전기 입력축(142a) 상에 기어, 체인, 벨트를 사용하여 동력 연결한다.

상기 제2발전기(142)에 전달되는 동력을 단속하는 발전용 클러치(143)의 종류로는 건식형(dry type), 습식형(wet type), 콘형(cone type), 마그네틱형(electro eagnetic type) 등을 모두 사용할 수 있으며, 그 중에서 마그네틱형 클러치가 가장 바람직하다. 그 이유는 회전하고 있는 엔진(110)에 필요에 따라 간헐적으로 접촉 및 접촉 해제를 반복함으로써 제2발전기(142)가 회전되었다가 멈추었다가를 반복하므로 접촉 충격을 줄이려면 회전수 동기화가 필요한데 이 회전수 동기화 문제에서 마그네틱 클러치가 가장 우수한 특성이 있기 때문이다.

전술한 발전용 클러치(143)와 제2발전기(142)로 인하여 엔진(110)이 공회전 상태이거나 내리막 감속 주행 등 임의의 시점에서 요구되는 엔진의 출력보다 생산되는 출력이 남는 상태에서는 언제든지 제2발전기(142)의 발전용 클러치(143)가 동력 연결되어 발전이 일어난다. 또한 자동차가 전력을 필요로 하는 상황(예를 들어, 제1발전기(141)이 고장시나 배터리 부족 등)에서는 발전용 클러치(143)가 연결되어 제2발전기(142)를 통한 발전이 일어난다. 예를 들어, 제2발전기(142)의 위치를 지금의 에어컨 컴프레서가 연결되는 위치에 두고 마그네틱 클러치로 연결하여 전기를 생산하고 에어컨 컴프레서는 모터(130)로 돌리면 된다. 이렇게 하면 결과적으로 연비개선 효과를 얻을 수 있게 된다.

상기 변속기 클러치(121)와 발전용 클러치(143)와 엔진(110)의 회전수 동기화는 종래 공지된 다양한 방법을 적용할 수 있으며, 컴퓨터 제어를 통하여 자동으로 수행된다.

상기 엔진(110)에는 엔진(110)의 구동과 언제나 함께 회전하여 기본 소요 전력을 생산하는 제1발전기(141)가 연결된다. 상기 제1발전기(141)는 자동차의 전조등, 실내등, 라디오, 오디오, 에어컨 등을 구동하기 위한 기본 전력을 공급하기 위한 것이다.

본 발명의 카멜레온 하이브리드카(100)에 의하면, 구동모터(130)가 기준 속도인 약 80~100km 까지는 주행을 담당하므로 변속기(120)의 경우 1~3단의 저속 변속단수가 필요 없고, 4~6단의 고속 변속단수만 구비하면 된다. 따라서, 변속기 구조가 간단하고 변속기의 부피와 중량이 감소하여 엔진룸의 공간 설계가 용이하고 연비향상에 유리하다. 또한, 주행에 사용하는 변속기(120)를 종래와 같이 무단변속기(CVT)로 할 수 있다.

본 발명의 경우 엔진으로 가속시에는 엔진만으로 또는 엔진과 구동모터를 함께 운용할 수 있다(모터 어시스트 기능 가능).

또한 연비 효율을 떨어뜨리는 토크 컨버터는 아예 필요가 없고 일반 클러치(건식형 또는 습식형)가 엔진(110)과 변속기(120) 사이에 위치하기만 하면 된다. 후진을 구동모터(130)가 담당하므로 변속기에서 후진 기어를 필요로 하지 않으며, 엔진으로 가속시에 대용량의 구동모터(130)가 출력을 보조하므로 엔진(110)의 출력 부담이 줄어들게 되어 엔진의 배기량이나 사이즈를 줄여도 원하는 출력을 제공하게 된다.

이하에서는 도시한 구조의 하이브리드카를 구동하는 구체적인 방법에 관하여 설명한다.

1) 먼저, 야간의 심야전기의 요금이 저렴하므로 플러그인 기능을 활용하여 밤새 배터리(150)를 가득 충전한다. 출근시 스위치를 켜고 정지에서 출발하면 구동모터(130)만으로 구동한다. 주행속도가 기준속도, 예를 들어 100km/h, 이내에서는 주행거리가 기준거리, 예를 들어 80km, 까지는 엔진(110)은 시동이 걸리지 않고 꺼져 있으며 이미 충전된 배터리(150)로 구동모터(130)를 돌려 주행하므로 연료를 한 방울도 소비하지 않는 순수한 전기차 모드로 운행된다.

이때는 엔진(110)과 변속기(120) 사이의 변속기 클러치(121)가 떨어져 있고, 엔진(110)과 제2발전기(142) 사이의 발전용 클러치(143)도 떨어진 상태를 유지한다. 즉, 완전한 전기차 상태로 주행하고 감속시에 구동모터(130) 만이 발전기로 작용하여 회생 전력을 생산한다.

2) 배터리(150)의 잔량이 기준 잔량 이상으로 남아 있는 경우라도 고속도로 주행과 같이 주행속도가 기준속도인 100km를 넘어가게 되면 자동으로 엔진(110)에 시동이 걸리고, 이때 발전용 클러치(143)는 해제되어 엔진(110)과 동력이 끊긴 상태를 유지하며, 변속기(120)의 기어는 4단에서 엔진(110)과 변속기(120) 사이의 회전수 동기화 후에 변속기 클러치(121)로 연결되어 엔진(110)의 동력을 전달받아 회전한다.

주행에 필요한 전기 공급은 원래 엔진(110)에 붙어 있는 소용량의 제1발전기(141)에 의하여 공급되며, 배터리(150)의 잔여 전력을 사용할 수도 있다. 제1발전기(141)의 잉여 전력은 배터리(150)에 충전된다. 즉, 이 경우는 엔진(110)과 변속기(120) 사이의 변속기 클러치(121)는 붙어 엔진(110)과 구동모터(130)가 함께 구동하고, 엔진(110)과 제2발전기(142) 사이의 발전용 클러치(143)는 떨어져 제2발전기(142)를 통한 발전을 하지 않아 엔진(110)의 출력을 잠식하는 현상이 방지된다. 따라서, 병렬형 하이브리드카와 같은 운행상태가 된다.

3) 주행속도가 100km/h 이내라도 배터리(150)의 잔량이 기준 잔량 이하로 떨어지는 경우, 직렬형 하이브리드카처럼 엔진(110)에 시동이 자동으로 걸리고 제2발전기(142)의 발전용 클러치(143)가 붙어 엔진(110)과 동력 연결된다. 이때 엔진(110)의 회전수는 제어유닛에서 자동으로 계산된 최적의 발전 효율 회전수를 유지하고 자동차의 구동은 전적으로 구동모터(130)로 한다.

엔진(110)과 제2발전기(142) 사이의 회전수 동기화는 발전용 클러치(143)가 붙기 전에 제2발전기(142)가 자체 회전하며 엔진(110)과 제2발전기(142)의 회전수 센서가 회전수를 감지해주면 제2발전기(142)의 발전용 클러치(143)에 미치는 접촉 충격을 최소화하면서 회전수 동기화가 가능하다.

제2발전기(142)가 정지 상태로부터 회전을 시작할 때의 부하가 크지 않으면 회전수 동기화를 위한 별도의 장치는 생략할 수도 있다. 엔진(110)이 회전하고 있을 때 발전용 클러치(143)가 서서히 붙으면 반 클러치 상태가 되어 정지해 있던 제2발전기(142)가 서서히 돌기 시작하며 나중에는 발전용 클러치(143)가 완전히 붙어 자동으로 회전수가 동기화된다. 이때 발전용 클러치(143)로서 마그네틱 클러치를 채용하면 회전수 동기화가 훨씬 용이하게 수행될 것이다.

한편, 제2발전기(142)를 통한 발전의 목적으로 엔진(110)의 시동을 걸게 되는 경우는 시동 전에 미리 제2발전기(142)의 발전용 클러치(143)가 붙은 상태에서엔진(110)의 시동이 걸리게 할 수 있고 이 경우에는 따로 동기화 조작이 필요 없게 된다.

이와 같은 상황에서 엔진(110)과 제2발전기(142)는 동력 연결되어 발전을 함으로써 배터리(150)를 충전하고, 엔진(110)과 변속기(120)는 변속기 클러치(121)가 떨어져 동력 연결이 해제된다. 따라서, 엔진(110)은 제1 및 제2발전기(141,142)를 통한 발전만 하게 되고, 자동차의 구동은 전적으로 구동모터(130)가 수행한다.

이 경우 회생 발전은 구동모터(130)를 통하여 수행하고, 엔진(110)의 회전수는 제1 및 제2발전기(141,142)를 통한 최적의 발전 효율을 낼 수 있도록 제어된다. 따라서 직렬형 하이브리드카와 같은 운행상태가 된다.

4) 배터리의 잔량이 기준 잔량 이하로 떨어지고, 주행속도가 기준 속도인 100km/h를 넘어가게 되면, 엔진(110)이 시동되고 엔진(110)으로만 주행하게 된다. 이때 제1발전기(141)를 통하여 전력이 공급되면 구동모터(130)도 주행에 관여하게 되며, 여분의 전력은 배터리(150)를 충전한다. 이 경우에는 엔진(110)과 제2발전기(142) 사이의 발전용 클러치(143)는 떨어진 상태(해제 상태)에 있어 제2발전기(142)가 엔진(110)의 출력을 잠식하지 않고 발전도 하지 않으며, 엔진(110)과 변속기(120) 사이의 변속기 클러치(121)는 붙어 있는 상태(연결 상태)가 되어 엔진은 고속 주행에 그 생산되는 출력을 모두 다 쓸 수 있게 된다. 따라서 일반 내연기관 자동차와 병렬형의 조합된 상태를 이루며 엔진(110)만이 구동하는 구간에서는 일반 내연기관 자동차의 운행 조건과 동일하게 구동된다. 또한 가속시에는 엔진(110)과 구동모터(130)가 함께 구동하며 이때 구동모터(130)로의 전력 공급은 제1발전기(141)에 의한다. 즉, 병렬형 가속주행 상태가 된다.

5) 배터리(150)의 잔량이 기준 잔량 이하인 상태에서 자동차가 잠시 정지하는 동안 변속기 클러치(121)는 떨어지고 발전용 클러치(143)는 붙어 제1 및 제2발전기(141,142)를 통하여 배터리(150)를 신속하게 충전한다. 따라서, 이 경우는 직렬형의 발전 및 충전 상태가 된다.

6) 자동차의 정지 상태에서 어느 정도 충전이 완료하면 ISG 기능이 작동하여 공회전 엔진 정지 상태가 된다. 이 경우는 변속기 클러치(121)와 발전용 클러치(143) 모두 연결 해제되고 엔진(110)의 구동도 멈춘다. 즉, 하이브리드카에서 전기차로 전환된 상태를 이룬다.

7) 고속으로 주행하며 내리막 주행에서 엑셀레이터를 사용하지 않고 엔진 브레이크로 감속시에는 발전용 클러치(143)도 자동으로 연결되어 감속 및 회생 발전을 한다. 즉, 제2발전기(142)와 구동모터(130)가 함께 회생 발전에 관여하게 되며 아울러 이 경우에는 엔진(110)이 구동하고 있으므로 제1발전기(141)도 전기를 생산하는 역할을 수행하게 된다. 이 상태는 내리막에서의 위치에너지를 전기에너지로 전환하는 단계로서 변속기 클러치(121)와 발전용 클러치(143)가 모두 동력 연결된 상태를 유지하고 회생 발전량이 최고조인 상태이다.

8) 주행속도가 100km/h 이하이더라도 급가속시에는 변속기 클러치(121)가 동력 연결되어 엔진(110)이 구동모터(130)를 보조하여 자동차의 구동에 관여할 수 있게 한다. 스위치로 스포츠 모드를 선택할 수 있게 하고 엔진(110)이 구동 출력원으로 개입하는 시기 및 조건을 설정하도록 하면 된다. 이 경우 가속 성능이 증대되어 제로 백 타임은 줄어드나 연비는 떨어지게 된다. 자동차는 부드러운 정속 주행만을 하는 것이 아니므로 최고의 연비를 낼 수 있는 경제 운전 모드와 최고의 출력을 낼수 있는 스포츠 모드가 모두 선택 가능하도록 하는 것이 바람직하다.

도2 내지 도5는 본 발명의 제2 내지 제5 실시예에 의한 하이브리드 자동차의 동력 계통도를 각각 나타낸 것이다.

도2의 경우 제1실시예와 비교하여 나머지 구성은 동일하나, 구동모터(130)의 위치가 엔진(110)측인 변속기(120)의 전방이 아니라 후방 측에 연결되는 점에서 차이가 있다.

도3의 경우 제2발전기(142)와 발전용 클러치(143)가 엔진 출력축(111b) 상에 형성되는 것이 아니라 엔진 출력축(111a)에 나란하게 배치되는 별도의 발전기 입력축(142a) 상에 마련된다.

즉, 변속기(120)와 엔진(110)을 동력 연결하는 엔진 출력축(111a) 상에 구동기어(144a)를 형성하고 상기 구동기어(144a)에 직접 또는 아이들링 기어 등을 거쳐 간접으로 연결되는 피동기어(144b)를 발전기 입력축(142a) 상에 형성한다. 상기 피동기어(144b)에 의하여 회전하는 발전기 입력축(142a) 상에는 발전용 클러치(143)와 제2발전기(142)가 순서대로 형성된다.

도4의 경우 제3실시예와 유사한 구성을 가지나 엔진(110)의 회전력을 발전기 입력축(142a)에 전달하기 위한 수단에 차이가 있다. 즉 제3실시예의 구동기어(144a)와 피동기어(144b)가 본 실시예에서는 구동휠(145a), 피동휠(145b) 및 이들을 연결하는 동력 연결수단(145c)으로 대체된다. 상기 구동휠(145a)과 피동휠(145b)은 동력 연결수단(145c)이 체인인 경우에는 각각 스프로켓이 될 것이며, 벨트인 경우에는 풀리가 될 것이다. 또한, 본 실시예에서는 이전의 실시예들과는 달리 발전용 클러치로서 마그네틱 클러치를 채용한 예를 보여주고 있다.

도5의 경우 전술한 제4실시예와 구조가 거의 유사하나, 엔진 출력축(111a)의 회전력을 가변풀리(146a,146b)와 구동벨트(146c)를 사용하여 제2발전기(142)에 전달한다는 차이가 있다. 엔진 출력축(111a) 상에 형성되는 가변풀리를 구동풀리(146a)라 하고, 발전기 입력축(142a) 상에 형성되는 가변풀리를 피동풀리(146b)라 하며, 이 둘 간을 동력 연결하는 벨트를 구동벨트(146c)라고 한다. 또한, 본 실시예에서는 발전용 클러치로서 유압 클러치인 습식 다판식 클러치를 채용한 예를 보여주고 있다.

이와 같은 구성의 가변풀리는 무단변속기(CVT)의 구조와 같은 것으로서 엔진(110)에서 출력되는 회전수를 가변시켜 제2발전기(142)에 적절히 전달하기 위한 것이다. 도시한 실시예에서는 피동풀리(146b) 측에 발전용 클러치(143)를 추가하여 구성하는 것으로 하였으나, 발전용 클러치(143)를 생략하는 것도 가능하다. 무단변속기만 있고 발전용 클러치(143)가 없는 경우에는 제2발전기(142)가 항시 엔진(110)에 물려 있어 엔진(110)의 회전시에는 언제나 제2발전기(142)가 피동되어 발전을 하게 되고 그에 따라 엔진(110)에 항시 붙어 있는 제1발전기(141)를 생략하는 것이 가능하게 된다. 무단변속기의 가변풀리 장치는 풀리의 직경 변화에 따른 회전수 변화가 가능하므로 엔진(110)의 회전수와 필요한 발전량에 따라 풀리의 직경을 조절하면 발전량을 효율적으로 최적화시킬 수 있게 된다. 예를 들어, 공회전시에는 엔진(110)의 회전수가 1,000rpm이하가 되므로 엔진 출력축(111a) 상의 구동풀리(146a)의 직경을 크게 하면 제2발전기(142)측의 피동풀리(146b)의 직경이 상대적으로 작아져서 발전기 입력축(142a)의 회전속도가 엔진(110)의 회전속도보다 더 높아져서 발전량이 증가한다. 반대로 엔진(110)의 고속회전에서는 오히려 구동풀리(146a)의 직경을 작게하면 제2발전기(142)의 회전속도가 엔진(110)의 회전속도보다 더 내려가 에너지 소비 대비 최적의 발전효율을 얻음과 동시에 제2발전기(142)가 가속에 필요한 엔진의 출력을 최대한 적게 잠식하게 된다. 이 모든 작동은 전자제어유닛과 같은 컴퓨터 제어수단에 의하여 효율적으로 제어된다.

이와 같이 발전기 입력축(142a)에 엔진 출력을 전달하는 수단으로 가변풀리를 적용하는 이유는 제2발전기(142)의 용량이나 특성에 따라 최적의 발전량을 생성하는 최적의 회전속도 구간대가 존재하기 때문에 엔진(110)의 출력 회전수가 어떠한 구간 대에 있든지 간에 제2발전기(142)의 축 회전수를 일정한 회전속도 범위에 있도록 제어하기 위한 것이다.

한편 도면에는 도시하지 않았으나, 위의 실시예들에서 발전용 클러치(143)와 제2발전기(142) 사이의 발전기 입력축(142a) 상에 플라이휠을 추가로 형성하여 구성할 수 있다. 이렇게 하는 이유는 자동차 주행 중 급감속, 급정지가 이루어지는 상황, 즉 내리막 감속이나 엔진 브레이크 상황이 아닌 돌발상황이나 급커브와 같은 상황에서 적극적인 브레이크 작동으로 엔진의 회전수가 급격히 떨어질 때 플라이휠의 회전 관성으로 인하여 제2발전기(142)의 발전효율을 더 높이기 위한 것이다.

화석연료의 고갈로 대체 연료 자동차(연료 전지, 수소 엔진, 바이오 연료, 전기차, 하이브리드카)가 개발 중이다. 이 중 현재로서 가장 상용화가 가능한 자동차는 전기차이다. 하지만 전기차도 모터 성능 및 배터리 용량 등의 제한으로 인하여 아직까지는 최고 속도와 주행 가능 거리에서 그 제한이 있다. 고성능 모터는 가격이 비싸고 장착에 따른 부피와 무게가 늘어나며 전력 소비가 증가하는 문제가 있다.

주행거리를 늘리고자 배터리 용량을 늘리게 되면, 가격과 부피와 무게가 증가한다. 그리하여 중간 과도기적인 차량의 형태로 하이브리드카가 상용화되고 있는 실정이다. 하이브리드카의 주행거리를 늘리려는 노력에서 플러그인 기능, 회생 발전 기능, 공회전 정지(ISG) 기능을 적용하고 있다. 대표적인 하이브리드카로는 크게 직렬형과 병렬형으로 분류될 수 있다.

직렬형은 자동차의 구동은 전적으로 구동모터(130)로만 하므로 구동모터(130)의 성능이 중요하다. 좋은 성능의 모터는 가격이 비싸고 무거우며 부피가 커지게 되며 전력소비가 크다. 직렬형의 경우 배터리(150)로 구동시에는 밤에 미리 충전시키는 심야 전기의 가격이 싸서 연비 면에서 그 이점이 있으나 장거리 주행시에는 이미 충전된 배터리는 다 써버리고 엔진으로 발전하게 되면 그 연비가 떨어지게 된다. 그래서 직렬형의 경우는 주행 가능거리를 늘리려고 배터리 용량을 자꾸 더 키우려고 하게 되나, 그러면 가격, 부피, 무게가 늘어나게 되는 문제가 있다.

즉, 에너지 효율 면에서 하나의 형태의 에너지가 다른 형태의 에너지로 전환되면 이미 가지고 있는 모든 에너지의 100%가 전환되는 것이 아니고 에너지 전환 과정에서 일부분의 에너지 손실이 필연적으로 뒤따르게 된다는 것이다.

연료유로 엔진을 가동하는데 따른 에너지 손실이 있으며, 엔진으로 자동차를 구동하는 과정에서 또다시 에너지 손실을 수반한다. 직렬형에서는 연료유를 사용하여 엔진을 돌리는데 에너지 손실이 있으며 엔진으로 발전기를 돌리는 과정에서 에너지 손실이 있으며, 발전된 전기로 구동모터를 돌리는데 손실이 있으며, 구동모터가 자동차를 구동하는데 에너지 손실이 발생한다. 이처럼 같은 전기에너지라도 발전된 전기를 바로 모터를 돌리는데 사용하는 것이 발전된 전기를 배터리에 일단 충전하였다가 모터를 돌리는데 사용하는 것보다 에너지 손실이 적게 된다. 또한 직렬형은 구동모터의 가격 한계와 배터리 성능의 제한으로 인하여 가속력과 최고 속도가 일반 내연기관차에 비하여 떨어진다. 만일 구동모터의 성능을 올리면 가속력과 최고 속도는 올라가나, 전력 소비가 증가하게 되어 배터리 소모가 극심해진다는 문제가 있다.

현재의 병렬형은 마이크로형과 마일드형과 스트롱(풀)형으로 나뉘는데 마이크로형은 ISG 기능과 회생 발전 기능이 주이고, 마일드형(아반떼 LPI 하이브리드)은 모터의 용량이 작아 모터만의 단독 구동 구간이 없이 엔진의 출력만을 보조하여 최근 거의 적용되지 않는다. 현재의 스트롱(풀)형(소나타 하이브리드, 도요타 플러그인 프리우스)도 모터의 단독 구동 구간이 작아(약 30km/h) 그 한계가 있다. 스트롱형의 경우 마일드형 보다는 더 진보되어 연비가 좋아지나 동력이 모터에서 엔진으로 전환되는 기준속도인 30km/h 구간은 현실적으로 그 임계속도가 너무 낮아 지나치게 자주 모터에서 엔진으로 또 엔진에서 모터로 동력 전환이 반복되어 그 자체만으로는 연비와 승차감에 마이너스 요소가 되고 있다. 이의 해결을 위하여 구동 모드가 전환되는 기준속도를 올리고자 하면, 보다 강력한 구동모터를 장착해야 하는데 이럴 경우 모터의 가격, 부피 및 무게가 증가할 뿐만 아니라 결정적으로 모터의 전기 의존도가 높아져 전력 소비가 급격히 증가하게 되어 기존의 배터리 용량이나 기존의 엔진에서 발전되는 작은 제1발전기나 회생 전기로는 그 요구 전력량을 감당할 수 없게 된다.

그러므로 스트롱 병렬형 보다 더 스트롱한 병렬형을 만들기 위하여 그리고 직렬형에 보다 더 가까운 새로운 개념의 스트롱기스트 병렬형의 하이브리드카를 만들기 위해서는 작은 제1발전기(141)에 추가로 더 큰 용량의 제2발전기(142)를 장착해야 한다. 또한, 위 제2발전기는 엔진(110)이 구동에 직접 관여할 때는 엔진의 출력을 잠식하지 않도록 발전용 클러치(143)로 그 연결을 끊을 수 있어야 한다.

엔진(110)이 구동에 관여하지 않고 발전에 사용될 때에는 변속기(120)는 변속기 클러치(121)에 의하여 동력 연결이 끊어지고, 제2발전기(142)는 발전용 클러치(143)에 의하여 엔진 출력에 연결되어 제1 및 제2발전기(141,142)가 발전을 하게 된다.

이러한 본 발명의 원리가 적용된 하이브리드카는 배터리(150)의 잔량이 미리 설정된 기준 잔량 이상인 경우 저속에서는 전기차가 되고 고속에서는 병렬형이 되며, 배터리 잔량이 기준 잔량 이하인 경우 저속에서는 직렬형이 되고 고속에서는 병렬형이 되어 자동차의 성능은 더 좋아지고 연비도 더 좋아지는 바람직한 형태가 된다. 이와 같이 본 발명의 하이브리드카(100)는 배터리(150)의 전력 상황이나 자동차의 주행속도 상황에 따라 각각 전기차, 직렬형 하이브리드카, 병렬형 하이브리드카 및 일반 내연기관 엔진차와 동일한 모드로 변환 구동이 가능하므로 일명 카멜레온 하이브리드카라고 할 수 있다. 즉 상황에 따라서 전기차, 직렬형, 병렬형 및 엔진차로 둔갑할 수 있으며 각 자동차 구동 형태로 둔갑하는 시점도 고정된 것이 아니라 주행 상황, 연료 및 배터리의 잔량, 에너지 효율 등에 따라 가변적으로 구동하게 된다.

가솔린이나 디젤과 같은 연료유 가격이 고공 행진을 하는 현재는 일반 승용형의 자동차에서는 연비가 중요하다. 연비의 개선은 많은 부분에서 조금씩 일어나 전체적으로는 가시적인 연료 절약 효과를 거두어야 한다.

적은 연료 소비로 큰 출력을 내는 엔진의 개발 및 성능은 좋으나 마찰 손실은 적은 드라이브 트레인 및 출력축, 심지어는 타이어의 개발까지 효율적 에너지 생산 및 효율적 에너지 소비의 연구에 많은 노력을 기울이고 있는 실정이다. 또한 차체의 강성은 변하지 않으면서도 무게를 줄이려는 노력이 끊임없이 지속되고 있는 실정이다.

이러한 연비 개선의 노력 중 그동안 간과되었던 것으로서 버려지는 에너지의 회수를 통한 연비 효율의 개선을 들 수 있다. 연료를 소비하여 달리기 위하여 만들어낸 에너지가 갑작스러운 감속이나 신호 대기 중의 공회전시에는 그냥 대기중으로 사라져 버린다. 이러한 폐기 에너지의 회수를 위해 회생 제동과 같은 회생 발전 및 ISG 기능이 있다. 연료를 연소시켜 동력을 발생하였으나 버려지는 에너지의 회수는 전기에너지의 형태로만 가능하다. 그러므로 이제는 자동차에서 전기에너지를 사용한 모터 구동 구간이 반드시 필요하게 되었다. 따라서, 하이브리드카는 내연기관 엔진차에서 전기차로 전환되는 중간단계로서의 가교 역할에 그치는 것이 아니라 에너지 회수를 통한 에너지 효율성 제고의 측면에서 반드시 필요한 자동차의 구동의 한 형태로 존재하게 될 것이다.

버려지는 에너지를 가능한 많이 전기에너지로 회수하여 최적의 효율로 모터를 구동하게 하면 그만큼 엔진의 구동 구간은 줄어들어 연비가 좋아진다. 여기서 모터가 단독으로 주행하는 속도 구간의 임계점을 상승시킬 필요가 생기는 것이다(예를 들어 현재의 30km/h에서 80~100km/h로 상승시킬 필요가 있음). 주행 구간에는 필연적으로 오르막이 있으면 내리막이 있게 마련이다. 에너지를 사용하여 오르막을 올라가서는 또 에너지를 사용해가며 내리막을 내려오는 것이 현재의 내연기관 엔진차이다. 연료 차단(fuel cut)을 해가며 내리막을 내려올 때 그 위치에너지와 주행 관성에너지를 얼마나 많이 전기에너지로 변환시켜 저장하느냐가 또 다른 연비개선의 큰 과제이다.

임의의 시점에 엔진의 일정한 회전 조건 하에서 일정한 연료 소비로 얻어지는 엔진 출력이 에너지 'X'라 가정하면, 기존 내연기관차는 에너지 'X' 중에서 에너지 'A'만큼은 제1발전기를 돌리는데 사용하여 'A2'라는 전기에너지를 생산해 전조등, 실내등, 오디오, 에어컨, 히터 등 기타 전기 제품을 조작한다. 그러므로 에너지 'X-A'가 자동차 주행에 사용되나 아이들링, 내리막 주행 및 감속시에는 'X-A'는 필요가 없음에도 계속 생산이 되며, 이때는 'X-A' 만큼의 에너지는 그냥 순손실로 공중으로 사라져 버린다. 이 버려지는 에너지 'X-A'를 가능한 많이 전기에너지로 회수하여 모터를 구동하게 하는 것이 연비 효율의 향상 측면에서 매우 중요하다.

기존의 소나타 하이브리드에 단순히 대용량 제2발전기를 그 전용 클러치로 엔진에 연결해 추가 장착하고 구동모터의 성능을 조금만 더 좋게 하고 이들을 컴퓨터로 제어하면 배터리는 현재의 것을 그대로 사용하더라도 곧 바로 지금보다 더 개선된 연비와 성능의 새로운 그리고 좀 더 직렬형에 가까운 스트롱기스트 병렬형의 하이브리드카가 탄생된다. 모터에서 엔진으로 동력원이 전환되는 기준 속도(임계 속도)가 100km/h까지는 안되더라도 현재의 30km/h에서 60km/h로만 상향 되더라도 그 연비 개선 효과는 클 것으로 생각된다. 이의 실현은 엔진이나 파워트레인의 개발을 통한 효율적인 에너지 생산 때문이 아니라 아직도 많이 버려지고 있는 에너지를 회생 전기로 발전해 구동모터에 재사용 가능하도록 하는 것에 의하여 이룩된다.

구동모터(130)와 제2발전기(142)를 통하여 추가로 얻어지는 회생 발전 전력량만큼 모터 전용의 주행 구간을 늘릴 수 있고 모터 전용 구간에서는 엔진이 꺼져 있으므로 그로 인해 연비 효율이 상승한다. 또 구동모터의 용량이 커지므로 엔진과 모터의 동시 구동시에도 주행 성능이나 출력이 좋아진다. 제2발전기(142)에는 클러치 기능이 있어 항시 발전하는 것이 아니고 상황에 따라 발전이 선택적으로 가능하므로 엔진으로 구동시에는 발전을 하지 않고 떨어져 있어 엔진 출력을 잠식하지 않으며, 남는 엔진 출력이 버려지는 상황에서는 발전용 클러치(143)가 붙고 회생 발전을 하므로 가능한 많은 양의 전기에너지를 회수할 수 있게 된다. 이러한 동작의 조절은 컴퓨터 제어를 통하여 자동으로 수행된다.

그리하여 버려지는 에너지를 가능한 많이 전기에너지로 회수하여 그 회수된 전기에너지만큼 하이브리드카에서 전기차 및 직렬형의 상태로 주행하는 구간을 더 늘려 연비와 성능 모두를 개선하고자 한다.

이러한 구조로 인한 추가적인 장점은 예를 들어 기존의 소나타 하이브리드에 1.6 엔진을 장착해도 기존의 2.0 하이브리드의 성능을 유지할 수 있게 되는 것이다. 회생 전기 생산이 늘어 구동모터(130)의 전속 담당 구간 및 임계 속도가 늘어나고 대용량 모터로 출력이 늘어나 엔진으로 가속시에 구동모터가 보조하는 부분이 늘어나게 되므로 엔진을 다운 사이징 해도 출력 성능은 떨어지지 않게 되는 것이다. 또는 이미 개발된 소나타 하이브리드 엔진에 더 강력한 구동모터를 장착하고 그랜져 2.0 카멜레온 하이브리드카를 만드는 것도 가능해진다.

이상적인 하이브리드카인 본 발명의 카멜레온 하이브리드카는 주행 중에 버려지는 에너지와 쓰고 남는 에너지를 전기에너지 형태로 쓰고 또 저장하자는 것으로 이를 통해 모터가 구동을 전적으로 담당하는 전기차 또는 직렬형의 구간을 늘려 병렬형으로 전환되는 기준 속도(임계 속도)를 높이자는 것이다. 또 이는 모터와 엔진의 회전수 대비 출력 응답 곡선이 다른 특성을 효율적으로 이용하고자 하는 것이다. 모터와 엔진은 모두 동력발생장치이나 모터는 정지에서 회전시작부터 높은 출력을 내고, 엔진은 저 회전에서는 출력이 낮고 약4,000 rpm 정도 이상이 되어야 높은 출력이 나온다. 그러므로 정지에서 출발은 전기차, 저속에서는 전기차 또는 직렬형, 가속 및 고속에서는 병렬형 또는 엔진차, 감속 및 엔진 브레이크의 상황에서는 최대 회생 발전을 하게 되면, 이상적인 카멜레온 하이브리드카가 된다.

배터리(150)가 떨어진 상태에서 고속도로 같은 고속의 정속 장거리 주행시에는 직렬형은 병렬형에 비해 20~30% 에너지 효율이 떨어진다. 그러므로 이런 상황에서는 병렬형으로 주행하는 것이 에너지 효율과 성능면에서 유리하다. 정속 주행시에는 엔진(110) 단독으로 구동하여 일반 엔진차와 같으며, 이때는 엔진(110)에 의하여 피동 되는 제1발전기(141)와 구동모터(130)에 의한 발전을 한다. 고속과 가속시에는 엔진(110)과 구동모터(130)가 함께 구동하여 병렬형이 되며, 이때는 제1발전기(141)만이 발전을 하고 구동모터(130)는 전기를 소모한다. 감속시에는 제1 및 제2발전기(141,142)와 구동모터(130)가 모두 발전을 하는데, 이렇게 얻어진 전기로 출발과 저속에서의 모터 단독 구동구간과 모드 전환 임계속도를 높이고 전력을 충분하게 공급한다. 그러나 반대로 배터리(150)가 기준 잔량 이상인 상태에서의 고속도로 주행에서는 상황에 따라 구동모터(130)가 구동에 관여해 고속도로 주행 연비를 올릴 수 있다. 연료유가 모자라고 배터리(150)는 가득 찬 상태에서 가까운 주유소가 없는 경우 저속으로만 구동모터(130)를 구동하여 주유소에 도착할 것이 아니라, 고속으로 구동모터(130)의 구동이 가능하도록 하여 빠른 속도로 짧은 시간 내에 주유소에 도착할 수 있도록 하여야 한다.

이처럼 자동차의 출력과 같은 성능과 연비 두 가지 모두를 극대화하기 위한 본 발명의 카멜레온 하이브리드카(100)는 컴퓨터 제어기술의 발전으로 가능해진 것이다. 이제는 전자제어유닛(ECU:Eigine Control Unit), 변속기 제어유닛(TCT: Transmission Control Unit) 외에도 모터제어유닛(MCT:Motor Control Unit), 발전기제어유닛(GCT:Generator Control Unit), 배터리제어유닛(BCU:Battery Control Unit), 연료제어유닛(FCT:Fuel Control Unit), 클러치제어유닛(CCU:Clutch Control Unit), 동기화제어유닛(SCU:Syncronization Control Unit) 등 여러 종류의 중앙처리장치(CPU:Central Processing Unit)가 필요하다. 또 이들을 제어하는 메인 CPU인 차량제어유닛(VCU:Vehicle Control Unit)이 상황에 따른 각기 다른 결정을 내릴 수 있어야 한다. 예를 들어, 100km/h 이상에서도 정속 주행시에는 구동모터(130) 단독으로 주행한다든지, 100km/h 이하에서도 엔진이 구동에 관여한다든지, 제2발전기(142)에 동력이 연결 또는 해제되도록 하는 제어 등을 포함하여 이 모든 결정과 선택은 각각의 CPU들로부터 전달되는 데이터 신호를 주행 성능과 효율의 면에서 분석하여 VCU의 통제 하에 수행되도록 하여야 한다. 또한 지능적인 VCU는 각 CPU로부터 수신한 데이터를 바탕으로 기기 장치의 고장과 오작동을 방지하기 위한 진단과 대처가 가능해야 한다.

카멜레온 하이브리드카는 전기차, 직렬형, 병렬형, 엔진차의 네 가지 모드의 자동차 형태로 둔갑을 반복하며, 그 둔갑하는 시점 및 상황도 연료유 잔량, 배터리 잔량, 급가속 유무, 정속 주행, 감속 주행 등에 따라 가변적으로 적용하며, 주행 중 회생 에너지를 최대한 많이 전기에너지로 회수하여 한 자동차가 가지고 있는 연료유와 전기에너지 모두를 최대한 효율적으로 사용하도록 고안된 최신 개념의 하이브리드카이다.

미국의 공인 연비 테스트 결과를 보면, 휘발유 소형차 도요타 코롤라는 28/35(city/highway) mpg(mile per gallon), 디젤 소형차 제타는 30/42 mpg, 프리우스는 51/48 mpg, 포드 퓨전은 41/36 mpg, CT 200h는 43/40 mpg, 혼다 인사이트는 40/43 mpg, 소나타 하이브리드는 37/39이다. 엔진차는 시내 주행의 연비가 고속도로보다 많이 떨어진다. 하이브리드카는 모두 엔진차와 비교시 시내 주행에서 더 나은 연비를 보여준다. 중형의 소나타가 소형의 코롤라보다 시내 주행에서 9 mpg나 더 갈 수 있다는 것은 인상적이다. 대체로 고속도로 주행도 하이브리드카가 일반 엔진차보다 연비가 우수한 편이다. 여기서 재미있는 것은 하이브리드카에도 차종에 따라 어떤 것은 시내 주행 연비가, 어떤 것은 고속도로 주행 연비가 좋다는 것이다. 모두 스트롱 병렬형으로서 도심 저속 주행시에 모터 단독 가동 구간이 있어 시내 주행에서 연비가 좋아짐은 하이브리드의 특성으로 어쩌면 당연하다고 하겠다. 하지만 고속도로 주행에서 연비를 향상시키려면 엔진 단독 구동만으로는 기존의 엔진차보다 나아질 것이 없다. 고속도로에서도 오르막, 평지, 내리막이 있다. 만약 120km/h의 속도로 크루즈 컨트롤 기능을 사용하여 고속도로를 정속 주행한다고 할 때, 오르막은 엔진(110)과 구동모터(130)가 구동하고 발전은 제1발전기(141)만이 하고 제2발전기(142)는 엔진(110) 출력과 떨어져 있고, 가속이 붙은 상태의 평지에서는 구동모터(130)가 단독으로 구동하며 변속기(120)에서 떨어진 엔진 출력은 제1 및 제2발전기(141,142)를 돌리고, 힘이 필요한 평지에서는 엔진 단독 또는 엔진과 구동모터가 함께 구동하며, 내리막은 제1 및 제2발전기(141,142)와 구동모터(130)의 셋이 모두 회생 발전 및 발전을 하게 되면 최고의 고속도로 주행 연비를 얻을 수 있다. 이를 가능하게 할 수 있는 것은 카멜레온 하이브리드카 뿐이다.

본 발명은 하이브리드카에 관한 것으로서 주행 거리, 주행 속도나 배터리 잔량 등의 주행 상황에 따라서 변속기 클러치와 발전용 클러치가 선택적으로 작동하도록 함으로써 구동모터 단독에 의한 주행 가능 거리 및 주행 속도 구간을 향상시키고 자동차의 출력, 주행 속도, 연비를 획기적으로 증가시킬 뿐 아니라 필요에 따라 전기차, 직렬형, 병렬형, 엔진차의 특성을 모두 가지도록 하는 카멜레온형 하이브리드카 및 그 구동방법에 관한 것이다.

이와 같은 본 발명에 의하면 하이브리드카의 연비, 출력 및 최고 속도를 증가시킬 뿐 아니라 동일한 출력을 위한 엔진의 사이즈를 작게 할 수 있으며, 회생 발전량을 최대한 끌어올릴 수 있게 된다. 따라서, 에너지 절약에 의한 자원 보호와 배가가스 규제에 의한 환경보호의 측면에서 출시되는 하이브리드카에 적극 적용할 필요가 있을 것이다.

100: 카멜레온 하이브리드카 110: 엔진
111a,111b: 엔진 출력축 120: 변속기
121: 변속기 클러치 130: 구동모터
141: 제1발전기 142: 제2발전기
142a: 발전기 입력축 143: 발전용 클러치
150: 배터리

Claims (11)

1. 동력원으로서 모터와 엔진을 함께 구비하여 구동하는 하이브리드카에 있어서,
   내연기관 엔진과 엔진의 회전력을 출력하는 엔진 출력축;
   상기 엔진의 일측 엔진 출력축 상에 형성되는 변속기 클러치, 구동모터 및 변속기;
   상기 구동모터에 연결되는 배터리;
   상기 엔진과 동력 연결되어 항시 구동하며 상기 배터리에 연결되는 제1발전기; 및
   발전용 클러치에 의하여 상기 엔진 출력축에 동력 연결 또는 해제되며, 상기 배터리에 연결되는 제2발전기를 포함하여 구성하되,
   상기 발전용 클러치와 제2발전기는 상기 변속기 클러치가 형성되는 엔진 출력축과 평행하게 배치되어 엔진 출력축에 동력 연결되는 발전기 입력축 상에 형성되어 자동차의 주행 상황에 따라 상기 변속기 클러치 또는 발전용 클러치가 선택적으로 엔진 출력축에 동력 연결되고, 엔진 브레이크 상황에서는 동시에 엔진 출력축에 동력 연결되는 것을 특징으로 하는 카멜레온 하이브리드카.
2. 제1항에 있어서,
   상기 배터리에는 가정용 전기를 충전할 수 있는 플러그인용 고전압 배터리가 더 연결되는 것을 특징으로 하는 카멜레온 하이브리드카.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 엔진 출력축과 발전기 입력축은 기어, 체인과 스프로켓, 풀리와 벨트 중에서 선택되는 어느 하나의 동력 전달수단에 의하여 동력 연결되는 것을 특징으로 하는 카멜레온 하이브리드카.
6. 제5항에 있어서,
   상기 엔진 출력축 상에는 구동 가변풀리가 형성되고, 상기 발전기 입력축 상에는 피동 가변풀리가 형성되며, 상기 구동 가변풀리와 피동 가변풀리는 구동 벨트에 의하여 연결되는 것을 특징으로 하는 카멜레온 하이브리드카.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 발전용 클러치와 제2발전기 사이에는 엔진 출력축의 회전 관성력을 전달받을 수 있도록 플라이휠이 추가로 설치되는 것을 특징으로 하는 카멜레온 하이브리드카.
8. 엔진과, 상기 엔진에 의하여 항시 구동하는 제1발전기와, 상기 엔진의 출력축 상에 형성되는 변속기 클러치, 구동모터, 변속기와, 상기 엔진 출력축에 동력 연결되는 발전용 클러치 및 제2발전기와, 상기 제1발전기, 구동모터 및 제2발전기에 연결되는 배터리를 포함하여 구성되는 카멜레온 하이브리드카를 구동하는 방법으로서,
   가) 주행 속도가 미리 설정된 기준 속도 이하이고, 주행 거리가 미리 설정된 기준 거리 이하인 경우에는 엔진의 시동은 꺼진 상태를 유지하고, 구동모터만이 차륜축을 구동하는 동력원으로서 작동하는 단계;
   나) 배터리의 잔량이 미리 설정된 기준 잔량 이상이고, 자동차의 주행 속도가 기준 속도 이상인 경우 엔진이 시동 되고, 발전용 클러치는 해제 상태를 유지하며, 변속기 클러치가 연결되어 엔진과 구동모터가 차륜축을 구동하는 동력원으로서 작동하는 단계;
   다) 주행 속도는 기준 속도 이하이나 배터리의 잔량이 기준 잔량 이하인 경우 엔진이 시동 되고, 변속기 클러치는 해제 상태를 유지하며, 발전용 클러치가 연결되어 엔진이 제2발전기를 돌려 발전하고 구동모터가 차륜축을 구동하는 동력원으로서 작동하는 단계;
   라) 배터리의 잔량이 기준 잔량 이하이고, 주행 속도가 기준 속도 이상인 경우 엔진이 시동 되고, 발전용 클러치는 해제 상태를 유지하고, 변속기 클러치가 연결되어 엔진이 차륜축을 구동하는 동력원으로서 작동하는 단계;
   마) 엔진 브레이크로 감속시 엔진은 시동 상태를 유지하고, 제1발전기, 제2발전기 및 구동모터가 모두 엔진에 동력 연결되어 회생 발전을 하는 단계;
   를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 카멜레온 하이브리드카의 구동방법.
9. 제8항에 있어서,
   엔진이 공회전하는 동안 배터리의 잔량이 기준 잔량 이하인 경우 변속기 클러치가 해제되고, 발전용 클러치가 동력 연결되어 제1 및 제2발전기를 통하여 배터리를 충전하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 카멜레온 하이브리드카의 구동방법.
10. 제8항에 있어서,
    엔진이 공회전하는 동안 배터리의 잔량이 기준 잔량 이상인 경우 공회전 정지(ISG) 기능이 작동함으로써 엔진의 시동이 꺼지고, 변속기 클러치 및 발전용 클러치의 연결이 모두 해제되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 카멜레온 하이브리드카의 구동방법.
11. 제8항에 있어서,
    주행 속도가 기준 속도 이하라도 급가속의 경우에는 엔진이 시동 되고 변속기 클러치가 연결되며 발전용 클러치는 해제 상태가 되어 엔진과 구동모터가 함께 차륜축을 구동하는 동력원으로서 작동하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 카멜레온 하이브리드카의 구동방법.

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