KR101904492B1 - 하이브리드 자동차의 전기 구조, 하이브리드 자동차, 및 제어 방법 - Google Patents

하이브리드 자동차의 전기 구조, 하이브리드 자동차, 및 제어 방법 Download PDF

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Abstract

연소 엔진(19), 전기 견인 기계(7), 및 하이브리드 트랜스미션(17)을 포함하는 하이브리드 자동차의 전기 구조가 제공되는바,
상기 연소 엔진(19)은 연소 엔진의 시동기(24)와 자동차 내장 네트워크(24)에 연결된 저전압의 내장 배터리(22)를 재충전시키는 교류발생기(21)를 구동하고,
상기 전기 견인 기계(7)는 고전압의 견인 배터리(18)에 의해 전력을 공급받으며,
상기 하이브리드 트랜스미션(17)은 적어도, 상기 전기 견인 기계(7)를 바퀴들에 연결시키는 구동 트레인으로부터 연소 엔진이 분리되는 제1 위치, 상기 전기 견인 기계(7)로부터의 추가 도움을 받거나 받지 않고서 연소 엔진(19)이 바퀴들을 구동하는 제2 위치, 바퀴들로 향하게 되는 연소 엔진(19)과 전기 견인 기계(7) 각각의 토크들이 합쳐지도록 연소 엔진(19)과 전기 견인 기계(7)가 연결되는 제3 위치를 점유할 수 있는 연결 수단(5)을 구비하고,
전기 모드에서 상기 연소 엔진(19)과 교류발생기(21)가 상기 전기 견인 기계(7)의 에너지 필요량을 공급할 수 있는 전기 발전기 세트를 구성함을 특징으로 한다.

Description

하이브리드 자동차의 전기 구조, 하이브리드 자동차, 및 제어 방법{Electrical architecture of a hybrid vehicle, hybrid vehicle and control method}
본 발명은 하이브리드 트랜스미션을 통하여 자동차의 바퀴들에 연결되는 구동용 연소 엔진과 전기 견인 기계를 포함하는 자동차용 전기 구조에 관한 것이다.
본 발명의 대상은 하이브리드 자동차의 전기 구조인데, 상기 전기 구조의 연소 엔진은 연소 엔진의 시동기와 자동차 내장 네트워크에 연결된 저전압의 내장 배터리를 재충전시키는 교류발생기를 구동하고, 상기 전기 구조의 전기 견인 기계는 중립 상태에서 연소 엔진에 의해서 재생될 수 있는 고전압의 견인 배터리에 의해 동력을 공급받는다.
본 발명의 바람직한 일 적용예인 자동차에서, 자동차의 하이브리드 트랜스미션은 동심을 이루는 두 개의 1차 샤프트들을 포함하고, 상기 1차 샤프트들 각각은 자동차의 바퀴들에 연결되는 2차 샤프트로 내려가는 적어도 하나의 피니언을 포함하되,
- 상기 전기 견인 기계를 바퀴들에 연결시키는 구동 트레인으로부터 연소 엔진이 분리됨;
- 상기 전기 견인 기계로부터의 추가 도움을 받거나 받지 않으면서 연소 엔진이 바퀴들을 구동함; 또는 추가적으로
- 바퀴들로 향하게 되는 상기 연소 엔진과 전기 견인 기계 각각의 토크들이 합쳐지도록, 상기 연소 엔진과 전기 견인 기계가 연결됨;이 가능하도록 구성된다.
또한 본 발명은 위와 같은 전기 구조를 포함하는 하이브리드 자동차와 그것의 제어 방법에 관한 것이기도 하다.
하이브리드 트랜스미션의 주된 장점은 연소와 전기에 해당되는 두 개의 에너지원들을 활용하여 자동차의 구동 트레인을 구동시킨다는 점인데, 상기 에너지원들로부터의 토크 입력들은 전기 견인 기계가 견인 트레인(traction train)에 토크를 공급하지 않는 "순수 연소 모드"나 연소 엔진이 견인 트레인에 토크를 공급하지 않는 "순수 전기 모드"에서 개별적으로 이용되거나, 또는 하이브리드 모드에서 함께 조합되어 이용될 수 있다. 다른 기능들, 예를 들어 전기 모터를 시동기로서 이용하여 운행 중 또는 정지 상태로부터 연소 엔진에 시동을 걸 수 있는 능력이나, 배터리의 충전을 위하여 전기 모터를 전기 발전기로서 이용할 수 있는 능력과 같은 다른 기능들도 필요하다.
하이브리드 자동차에서는 자주성(autonomy)과 배터리의 충전이 중요한 문제이다. 자동차의 오랜 기간 동안의 부동 상태(immobilization)나 또는 충전량 확인 수단의 오작동으로 인하여 완전히 방전된 견인 배터리를 재충전하기 위하여, 종래의 하이브리드 자동차는 연소 엔진을 이용하여 견인 기계를 발전기로서 구동하기 위해서 "도로변 충전(roadside charging)"에 의존할 수 밖에 없는데, 이것은 자동차가 부동 상태에 놓이는 결과를 초래한다.
본 발명은 자동차 견인 배터리가 완전 방전된 경우에 저속에서 견인 기계의 에너지 필요량을 공급함으로써 위와 같은 단점을 해결하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 위하여, 내장 배터리 충전용 교류발생기와 연소 엔진으로 전기 모드에서 전기 견인 기계의 에너지 필요량을 공급할 수 있는 저가의 전기 발전기를 구성할 것이 제안된다.
바람직하게는, 상기 견인 배터리와 내장 배터리 간의 전압이 감소됨을 가능하게 하는 전압 변환기를 통하여, 상기 견인 배터리와 내장 배터리가 연결된다.
제1 실시예에서, 상기 전압 변환기는 역전가능 기능(reversible function)을 가질 수 있는데, 이로써 내장 배터리로부터 견인 배터리의 방향으로 진행하는 충전 전류의 전압이 상승될 수 있다.
제2 실시예에서는, 상기 교류발생기가 (예를 들어 권취된 회전자에 의해서 저전압 또는 고전압으로 통제될 수 있는) 고전압 교류발생기인데, 이것은 전압 정류 또는 조정 시스템(voltage rectifying or regulating system)과 관련하여 또는 관련되지 않고서 상기 견인 배터리에 직접 연결될 수 있다.
본 발명의 다른 특징 및 장점은 하기 도면들을 참조로 하는 실시예에 관한 상세한 설명으로부터 명확히 이해될 것이지만, 본 발명은 그 실시예에만 국한되는 것은 아니다.
도 1 은 중립 상태에 있는 하이브리드 트랜스미션의 예에서 하이브리드 자동차의 견인 배터리가 재생(regeneration)되는 모습을 도시하는 도면이고,
도 2 내지 도 7 은 상기 트랜스미션의 다양한 기능적 가능성들을 도시하는 도면들이고,
도 8 은 상기 트랜스미션에 적합한 제1 전기 구조를 도시하는 도면이고,
도 9 는 본 발명의 제1 실시예를 도시하는 도면이고,
도 10 은 본 발명의 제2 실시예를 도시하는 도면이다.
도 1 내지 도 7 의 트랜스미션(17)은 (댐퍼 허브(damper hub), "댐퍼(damper)", 더블 플라이휠(double flywheel), 등과 같은) 여과 시스템(filtration system; 2)을 통해서 연소 엔진(미도시)의 관성 플라이휠(inertia flywheel; 3)에 직접 연결된 1차 중실 샤프트(solid primary shaft; 1)를 포함한다. 1차 중실 샤프트(1)는 (포지티브 클러치(positive clutch), 싱크로나이저(synchronizer), 또는 프로그래시브 유형 등, 다른 유형의 커플러(coupler) 등과 같은) 제1 연결 수단(5)을 통해서 1차 중실 샤프트(1)에 연결될 수 있는 아이들러(idler; 4)를 지지한다. 1차 중공 샤프트(hollow primary shaft; 6)는 전기 견인 기계(7)의 회전자에 연결딘다. 2차 샤프트(secondary shaft; 10)는 두 개의 아이들러들(11, 12)을 지지한다. 아이들러들(11, 12) 모두가 (포지티브 클러치, 싱크로나이저, 또는 프로그래시브 유형 등, 다른 유형의 커플러 등과 같은) 제2 연결 수단(13)을 통하여 1차 샤프트에 연결될 수 있다. 또한, 2차 샤프트(10)는 고정 피니언(fixed pinion; 14)과 피니언(15)을 지지하기도 하는바, 상기 피니언(15)은 자동차의 바퀴들(미도시)에 연결되어 있는 차동기어(differential; 16)의 방향으로 내려간 위치에 있다.
상기 제1 연결 수단(5)은 다음과 같은 적어도 세 개의 위치들을 점유할 수 있다:
- 전기 견인 기계(7)를 바퀴들에 연결시키는 구동 트레인으로부터 연소 엔진이 분리되어 있는 위치(제1 위치);
- 전기 견인 기계로부터의 추가 도움(top-up)이 있거나 없는 채로 연소 엔진이 바퀴들을 구동하는 위치(제2 위치); 및
- 연소 엔진과 전기 견인 기계(7)가, 바퀴로 전달될 그들 각각의 토크를 합치도록 연결되는 위치(제3 위치).
도 1, 도 5, 및 도 6 에 도시된 제1 연결 수단은 제3 위치에 있는데, 이 경우에는 제1 연결 시스템이 1차 중실 샤프트(1)와 1차 중공 샤프트(6)를 함께 회전하도록 연결시킨다. 제2 연결 수단(13)은 개방되어 있다. 따라서, 트랜스미션은 "중립" 상태에 있다. 회전하는 연소 엔진은 전기 견인 기계를 구동할 수 있고, 따라서 부동 상태에 있는 자동차(immobilized vehicle)의 배터리들을 재충전시키는 발전기로서 기능한다.
도 2 에서는 제1 연결 수단(5)이 개방되어 있는(제1 위치) 반면에, 낮은 비율(low ratio)의 아이들러(12)가 2차 샤프트(10)와 일체로 되도록 제2 연결 수단(13)이 폐쇄된다. 이 때 트랜스미션은 전기 모드에서 낮은 비율, 또는 1단 전진 구동 비율(first forward drive ratio)로 작동한다.
도 3 에서는 제1 연결 수단(5)이 여전히 개방(제1 위치)되어 있는(제1 위치) 반면에, 중간 비율의 아이들러(11)가 2차 샤프트(10)와 일체로 되도록 제2 연결 수단(13)이 폐쇄된다. 이 때 트랜스미션은 전기 모드에서 중간 비율, 또는 2단 전진 구동 비율로 작동한다.
도 4 에서는 1차 중실 샤프트(1)에 의해 지지되는 아이들러(4)가 1차 중실 샤프트(1)와 일체로 되도록 제1 연결 수단(5)이 폐쇄되어 제2 위치에 있는 한편, 제2 연결 수단(13)이 개방되어 있다. 상기 트랜스미션은 높은 비율 또는 3단에 있다. 이 때 전기 견인 기계는 토크를 공급하지 않는다.
도 5 에서는 1차 중실 샤프트(1)가 1차 중공 샤프트(6)와 일체로 되도록 제1 연결 수단(5)이 폐쇄되어 제3 위치에 있다. 낮은 비율의 아이들러(12)와 2차 샤프트(10)가 일체로 되도록 제2 연결 수단(13)이 폐쇄된다. 트랜스미션은 하이브리드 모드에서 낮은 비율에 있다. 연소 엔진 및 전기 견인 기계로부터의 입력들은 상기 구동 트레인 상에서 합쳐진다. 그 입력들은 피니언들(8, 12)의 하강에 의하여 1차 중공 샤프트(6)로부터 2차 샤프트로 전달된다.
도 6 에서는 제1 연결 수단(5)이 도 5 에서와 같이 여전히 제3 위치에 폐쇄되어 있다. 그러므로, 1차 중실 샤프트(1)는 1차 중공 샤프트(6)와 일체로 된다. 또한, 제2 연결 수단(13)도 폐쇄되는바, 중간 비율의 아이들러(11)는 2차 샤프트(10)와 일체로 된다. 트랜스미션은 하이브리드 모드에서 중간 비율에 있게 된다. 연소 엔진 및 전기 견인 기계로부터의 입력들은 구동 트레인 상에서 합쳐진다.
도 7 에서는 제1 연결 수단(5)이 폐쇄되어 제2 위치에 있는바, 이로써 1차 중실 샤프트(1) 상에서 지지되는 아이들러(4)가 그와 일체로 된다. 또한, 중간 비율의 아이들러(11)가 2차 샤프트(10)와 일체로 되도록 제2 연결 수단(13)이 폐쇄된다. 트랜스미션은 하이브리드 모드에서 높은 비율에 있게 되며, 연소 엔진과 전기 견인 기계로부터의 입력들은 합쳐진다.
도 8 에는 전술된 바와 같은 하이브리드 트랜스미션(17)이 개략적으로 도시되어 있는바, 여기에서 1차 샤프트들(1, 6), 2차 샤프트(10), 연소 엔진(19), 및 전기 견인 기계(7)이 파악될 수 있다. 전기 견인 기계(7)는 견인 배터리(18)에 전기적으로 연결된다. 연소 엔진(19)은, 연소 엔진(19)의 시동기(24)와 내장 네트워크(23)에 전기를 공급하는 내장 배터리(22)를 재충전시키는 교류발생기(21)를 구동시킨다. 상기 교류발생기(21)는 내장 배터리에 저전압의 전류를 공급한다. 한편, 연소 엔진(19)과 견인 배터리(18) 간의 전류 순환은 고전압의 전류로 이루어진다. 상기 견인 배터리로부터 내장 배터리(22)를 재충전시킬 수 있도록 하기 위하여, 그들 사이에 전류 변환기(26)가 설치된다. 변환기(26)는 견인 배터리(18)로부터 내장 배터리(22)의 방향으로 순환하는 전류의 전압을 감소시키지만, 충전 전류가 내장 배터리(22)로부터 견인 배터리(18)의 방향으로 순환할 수는 없다. 그러므로, 견인 배터리(18)는, 트랜스미션이 도 1 에 도시된 바와 같은 중립 상태에 있는 채로, "도로변에서" 정지되어 있는 상태에서 발전기로서의 기능을 하는 연소 엔진에 의해 재충전될 수 있지만, 내장 배터리(22)에 의해 재충전될 수는 없다.
도 9 에서, 두 개의 배터리들(18, 22)은 여전히 전압 변환기(26)를 통해서 연결되어 있다. 그러나, 여기에서 변환기(26)는 견인 배터리(18)와 내장 배터리(22) 간의 전압을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 내장 배터리(22)로부터 견인 배터리(18)의 방향으로 나오는 충전용 역전류(charging reverse current)의 전압을 상승시킬 수도 있는 역전가능한 변환기이다. 그러므로, 전류는 두 개의 배터리들 사이에서 양 방향으로 순환할 수 있다. 또한, 교류발생기는, 적어도 자동차가 움직이기 시작할 때와 저속으로 주행하는 때에, 견인 배터리의 에너지 필요량을 만족시킬 수 있도록 하기 위해 보강되어 있다. 그러므로, 연소 엔진과 교류발생기는, 전기모드에서 자동차가 저속으로 주행하는 때와 자동차가 움직이기 시작하는 때에, 전기 견인 기계의 에너지 필요량을 공급할 수 있는 전기 발전기 세트를 이룬다.
도 10 에서, 교류발생기(26)는 고전압 교류발생기인바, 예를 들어 전압 변환기의 릴레이(relay)없이 견인 배터리(18)에 직접 연결가능한 재권취된 교류발생기(rewound alternator)이다. 상기 전압 변환기는 여전히 전기 구조 안에 존재한다. 그러나, 현재 교류발생기(21)는 전압 변환기(26)와 견인 배터리(18) 사이에서 견인 배터리(18)에 연결된다. 앞의 경우에서와 같이, 연소 엔진(19)과 교류발생기(21)는, 자동차가 전기 모드에서 저속으로 주행하는 때와 움직이기 시작할 때에 전기 견인 기계(7)의 에너지 필요량을 공급할 수 있는 전기 발전기 세트를 구성한다. 그러나, 내장 배터리(22)는 견인 배터리(7)의 충전 회로 밖에 있고, 전류 변환기는 견인 배터리로부터 내장 배터리로의 가능한 재충전에만 개입할 뿐이다. 그러므로, 역전가능할(reversible) 필요가 없다.
(원칙적으로는 내장 배터리에 의해 전력을 공급받는 시동기의 도움으로) 연소 엔진에 시동이 걸린 때에는, 자동차가 움직이기 시작할 수 있고 소정의 속도 문턱값까지는 전기 모드로 주행할 수 있다. 그러면 연소 엔진이 내장 배터리를 통하여, 전기 모드에서 견인 배터리를 위한 재충전용 발전기로서 이용되는 한편, 모든 구동 에너지는 전기 견인 기계(7)에 의해 공급된다. 이와 같은 기능은 통상적으로 "직렬식 하이브리드(series hybrid)" 자동차의 기능이지만, 상기 트랜스미션은 연소 엔진과 전기 견인 기계 모두가 바퀴들로 기계적 에너지를 전달하는 "병렬식 하이브리드(parallel hybrid)" 자동차의 것으로부터 시작하여 설계된다. 이것은, 자동차가 정지상태로부터 움직이기 시작함과 저속으로 주행함을 가능하게 한다. 자동차의 이동 속도가 트랜스미션을 통해 연소 엔진을 바퀴들에 연결시키기에 충분하게 되자마자, 운전자는, 예를 들어 연소 엔진이 바퀴들에 연결되는 연소 모드(도 4) 또는 하이브리드 모드(도 5 또는 도 6)와 같은 다른 모드로 모드를 변경 및 전환할 수 있다.
본 발명은, 견인 배터리에 의해 공급되는 구동 에너지원으로서 전기 견인 기계를 이용함으로써 견인 배터리가 완전히 방전된 경우에, 소위 "직렬식 하이브리드"라는 보충적인 기능 모드로 트랜스미션을 활용함을 가능하게 하는바, 상기 견인 배터리는 발전기로서 기능하는 연소 엔진에 의해 재충전된다. 이와 같은 보충적인 기능 모드는, 예를 들어 전압의 조정과 관련하여 교류발생기를 높은 전압으로 재권취함(rewinding)에 의해서, 두 번째 기계를 위한 제어용 인버터(inverter)를 필요로 하지 않고서, 저렴한 비용으로 구현될 수 있다. 트랜스미션의 기계적인 또는 전기적 유니트들의 수치(dimensioning)에 따라서, "직렬식 하이브리드"라 호칭되는 상기 기능 모드는 적어도 1단 저속 트랜스미션 비율에서 소정의 속도 문턱값까지 활용될 수 있으며, 상기 속도 문턱값을 넘어서는 전기 견인 기계의 구동 에너지와 전기 견인 기계의 구동 에너지가 하이브리드 모드에서 합쳐지거나(조합되거나), 또는 연소 엔진만이 유일한 구동력 공급원으로서 이용될 수 있다.

Claims (10)

  1. 연소 엔진(combustion engine; 19), 전기 견인 기계(electric traction machine; 7), 및 하이브리드 트랜스미션(hybrid transmission; 17)을 포함하는 하이브리드 자동차의 전기 구조로서,
    상기 연소 엔진(19)은 연소 엔진의 시동기(starter; 24)와 자동차 내장 네트워크(vehicle on-board network; 24)에 연결된 저전압의 내장 배터리(on-board battery; 22)를 재충전시키는 교류발생기(alternator; 21)를 구동하고,
    상기 전기 견인 기계(7)는 고전압의 견인 배터리(traction battery; 18)에 의해 전력을 공급받으며,
    상기 하이브리드 트랜스미션(17)은 적어도, 상기 전기 견인 기계(7)를 바퀴들에 연결시키는 구동 트레인(drive train)으로부터 연소 엔진이 분리되는 제1 위치, 상기 전기 견인 기계(7)로부터의 추가 도움을 받거나 받지 않고서 연소 엔진(19)이 바퀴들을 구동하는 제2 위치, 바퀴들로 향하게 되는 연소 엔진(19)과 전기 견인 기계(7) 각각의 토크들이 합쳐지도록 연소 엔진(19)과 전기 견인 기계(7)가 연결되는 제3 위치를 점유할 수 있는 연결 수단(5)을 구비하고,
    상기 바퀴들을 구동하기 위하여 상기 전기 견인 기계(7)만이 사용되는 전기 모드(electric mode)에서 상기 연소 엔진(19)과 교류발생기(21)가 상기 전기 견인 기계(7)의 에너지 필요량을 공급할 수 있는 전기 발전기 세트(electricity generator set)를 구성함을 특징으로 하는, 하이브리드 자동차의 전기 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 견인 배터리(18)와 내장 배터리(22)는, 견인 배터리(18)와 내장 배터리(22) 간의 전압이 감소됨을 가능하게 하는 전압 변환기(voltage transformer; 26)에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 자동차의 전기 구조.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전압 변환기(26)는, 내장 배터리(22)로부터 견인 배터리(18)의 방향으로 순환하는 충전 전류의 전압을 상승시킴을 가능하게 하는 역전가능 기능을 갖는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 자동차의 전기 구조.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 교류 발생기(21)는 상기 견인 배터리(18)에 직접 연결될 수 있는 고전압 교류발생기인 것을 특징으로 하는, 하이브리드 자동차의 전기 구조.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 교류발생기(21)는 상기 전압 변환기(26)와 견인 배터리 사이에서 견인 배터리에 연결되는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 자동차의 전기 구조.
  6. 제1항, 제2항, 제3항, 및 제5항 중 어느 한 항에 따른 전기 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차.
  7. 제6항에 따른 하이브리드 자동차의 제어 방법으로서,
    상기 연소 엔진(19)이, 자동차가 전기 모드로 주행하는 중에 상기 견인 배터리(18)를 재충전시키는 발전기로서 이용되는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 자동차의 제어 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 연소 엔진(19)이, 자동차가 전기 모드에서 움직이기 시작하는 때에 상기 견인 배터리(18)를 재충전시키는 발전기로서 이용되는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 자동차의 제어 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 연소 엔진이 바퀴들에 연결되는 속도 문턱값(speed threshold)까지, 상기 전기 견인 기계(7)가 유일한 구동 에너지 공급원으로서 이용되는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 자동차의 제어 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    하이브리드 모드(hybrid mode) 또는 연소 모드(combustion mode)로 전환되는 속도 문턱값까지, 상기 전기 견인 기계(7)가 유일한 구동 에너지 공급원으로서 이용되는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 자동차의 제어 방법.
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