KR20010085791A - 하이브리드 차량 - Google Patents

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KR20010085791A
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세버린스키알렉스제이.
럭키스테오도어
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추후보충
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Abstract

하이브리드 차량은 클러치에 의해 차량의 로드휘일에 제어가능하게 연결되는 내연기관과, 발전기로서 작용할 수 있으며 상기 차량의 로드휘일에 연결된 주전동모터와, 발전기로서 작용할 수 있으며 엔진에 연결된 시동모터와, 전기에너지를 제공하고 상기 모터로부터의 에너지를 수용하는 배터리뱅크와, 차량의 순간토오크 요구사항과 배터리뱅크의 충전상태와 기타 다른 작동변수에 따라 다른 모드로 작동중인 부품들을 제어하는 마이크로프로세서를 포함한다. 작동모드는 제어전략에 응답하여 마이크로프로세서에 의해 선택되어 연료경제성과 방출물의 감소라는 개선점을 제공한다. 엔진은 장시간의 고부하동작에 대한 제어신호에 응답하여 작동되는 과급기를 포함한다.

Description

하이브리드 차량 {HYBRID VEHICLES}
자동차와 기타 고속도로차량의 연료소모의 감소라는 문제에 대해 다년간 상당한 관심이 집중되었다. 또한, 차량에서 방출되는 오염물의 감축에 대해서도 관심이 집중되었다. 이러한 문제들을 해결하기 위한 노력은 다른 문제들과 어느정도 상충되었다. 예를 들어, 만일 엔진이 고온에서 작동된다면, 열역학적 효율의 증가와 이에 따른 연료소모의 감소도 실현될 수 있을 것이다. 따라서, 현재 사용되고 있는 것보다 고온의 연소온도를 견딜 수 있는 세라믹물질을 엔진에 적층하는 것에 대해 관심이 모아졌다. 그러나, 가솔린엔진에서의 고온연소는 전형적으로 NOx와 같은 바람직하지 못한 오염물의 방출을 증가시키게 된다.
방출물을 감소시키기 위한 또 다른 가능성으로는 가솔린과 에탄올의 혼합물인 가소홀(gasohol)을 연소하거나 또는 직접 에탄올을 연소하는 것이다. 그러나, 에탄올은 가솔린에 비해 경제성이 떨어지므로, 사용자들이 에탄올을 사용하지 않았다. 더구나, 에탄올과 같은 대체연료를 국가의 공기품질 및 연료보호에 상당한 개선을 달성할 수 있을 정도로 유용하게 하는 것은 그 기반설비에 막대한 비용이 소요되며, 국가적인 모터연료의 생산 및 분배시스템 뿐만 아니라 차량의 제조 및 분배 그리고 유지보수 시스템도 심하게 개조되거나 중복설치되어야 한다.
도시오염을 감소시킬 수 있는 한가지 방법은 내연기관에 의해 구동되는 차량의 사용을 제한하하고, 재충전 배터리에 의해 구동되는 전기차량을 사용하는 것이다. 현재까지의 모든 "직동식 전기(straight electric)" 차량은 상당히 제한된 즉, 전형적으로 150마일 이하의 범위에서 작동되며, 이러한 범위는 배터리가 완전히 충전되었을 때를 제외하고는 오르막 길을 오르거나 가속을 실행하기에는 충분치 않은 동력범위로서, 또한 배터리 충전에 상당한 시간을 요하고 있다. 따라서, 제한된 범위와 연장된 배터리 충전시간을 주요하게 생각하지 않은 환경에서는 상관없지만, 이러한 차량은 대부분의 개인여행용으로는 적합하지 않다. 더구나, 미국에서는 대부분의 전기가 화력발전소에서 생산되므로 전기차량을 사용하는 것은 단순히 오염원을 이동시키는 것에 지나지 않으며, 이들을 제거하는 것도 불가능하다. 또한, 1마일당 소요되는 순수비용을 비교하였을 때, 전기차량은 에탄올연소차량에 필적할 수 없으며, 종래의 가솔린차량 보다 훨씬 불편하다. 이러한 내용은 1992년 5월에 발간된 "로드 앤 트랙"의 129-136페이지에서 시마네이티스가 저술한 "전기차량"과, 1992년 10월에 발간된 "로드 앤 트랙"의 126-129페이지에서 레이놀즈가 저술한 "교류 추진 CRX"에 개시되어 있다.
브룩스 등에 허여된 미국특허 5.492.192호에는 종래의 전기차량에 안티록 제동 및 견인 제어기법을 연합한 내용이 개시되어 있다.
지난 수년간 내연기관 동력발생기를 포함한 전기차량의 발전에 지대한 관심이 모아져서, 간단한 전기차량에서 나타났던 제한된 범위의 결점을 제거하였다. 가장 간단한 이러한 차량은 대부분의 철로에 사용된 디젤전기기관차에 사용된 동일한 원리에 따라 작동된다. 이러한 시스템에서, 내연기관은 전기동력을 차량의 휘일에 직접적으로 연결된 주전동모터에 제공하는 발전기를 구동한다. 이러한 시스템은 차량의 휘일과 엔진 사이에 가변의 전동기어비가 요구된다는 장점을 갖는다.
특히, 내연기관은 엔진속도(RPM)가 제로일 때 토오크출력이 제로가 되며, 그 작동범위의 중간지점에서 토오크의 정점에 도달하게 된다. 따라서, 내연기관에 의해 직접 구동되는 모든 차량(일반적인 차량에는 사용할 수 없는, 마찰클러치 또는 원심클러치 등을 사용하는 정속차량은 제외)은 엔진과 휘일 사이에 가변전동비를 필요로 하므로, 엔진토오크는 도로상에서의 속도와 이에 따른 부하에 부합될 수 있다. 또한, 엔진이 작동중이지만 차량을 정지시키고 이러한 정지상태로부터 시동될 동안 구동트레인에 대해 엔진의 미끄럼을 허용하기 위해서는, 클러치가 제공되어, 엔진이 휘일로부터 기계적으로 분리되어야 한다. 예를 들어 디젤기관차에 다변속전동기나 클러치를 제공하는 것은 실제적이지 않다. 따라서, 발전기와 주전동모터와 같은 부가적인 복합체가 제공되어야 한다. 주전동모터는 제로RPM에서 완전 토오크를 생성할 수 있으므로 휘일에 직접 연결될 수 있으며; 기차가 가속을 필요로 할 때, 디젤엔진은 간단히 트로틀되어 발전기출력을 증가시킨다.
자동차 또는 트럭과 같은 소형차량에는 이와 동일한 구동시스템이 사용될 수도 있지만, 이러한 용도에 사용시에는 몇가지 불리한 단점을 내포하게 된다. 특히, 도1 및 도2를 참조로 상세히 서술되는 바와 같이, 가솔린이나 기타 다른 내연기관은 최대의 출력토오크를 생성하는데 가장 효과적인 것으로 알려져 있다. 전형적으로, 기차에서의 디젤기관차의 갯수는 이동시킬 총톤수와 극복해야 할 경사도에 따라 선택되므로, 모든 기관차는 거의 완전 토오크생성 상태로 작동될 수 있다. 더구나, 상기 기관차는 장시간 정속으로 주행하는 경향을 갖는다. 따라서, 보다 합리적인 연료사용이 달성될 수 있다. 그러나, 이러한 직접구동식 차량은 구간거리가 짧은 여행과 잦은 정지 그리고 저속주행 등을 포함하는 자동차용으로는 양호한 연료효율을 달성할 수 없다.
이른바 "하이브리드 시리즈" 전기차량은 배터리가 에너지 저장장치로 사용되는 자동차용으로 제안되었으므로, 발전기에 동력을 제공하는 내연기관은 최적의 연료효율 출력 범위에서 작동될 수 있으며, 필요에 따라 차량을 구동시키는 주전동모터가 작동될 수 있게 한다. 따라서, 엔진은 배터리를 충전시키는 발전기에 토오크를 제공하므로써 로딩되며; 필요에 따라 효율적으로 작동되기 위해 전기동력을 전기동력을 공급한다. 이러한 시스템은 상술한 전기차량에서의 한정된 범위 및 장시간의 충전시간이라는 단점을 극복할 수 있다. 따라서, 종래차량과 비교할 때, 내연기관은 토오크를 시리즈 하이브리드 전기차량의 휘일에 직접 분배할 수 있으며; 토오크는 엔진으로부터 배터리 충전기로 사용되는 연속연결된 발전기와, 배터리와, 주전동모터를 거쳐 휘일로 전동된다. 이러한 부품들 사이에서의 에너지전송은 적어도 약 25%의 엔진동력을 소모하게 된다. 또한, 이러한 부품들은 비용과 차량중량을 부가시키게 되며; 특히 오르막 길 주행과 같은 가속시, 합리적인 성능 제공 등과 같은 모든 기대치에 부응하기에 충분한 토오크를 제공할 수 있는 전기 모터는 매우 무겁고 비싸게 된다. 따라서 시리즈 하이브리드 차량은 성공적일 수 없다.
미국특허 제3,566,717호 및 제3,732,751호에는 보다 유망한 "평행 하이브리드"가 개시되어 있다. 버먼 등에 허여된 이러한 특허에서, 내연기관과 전기모터는 복잡한 기어트레인을 거쳐 결합되므로 이들 두 부품은 토오크를 휘일에 직접 제공할 수 있으며, 상기 차량은 여러가지의 다른 모드로도 작동될 수 있다. 내연기관의 출력이 차량을 구동(제1작동모드)시키는데 필요한 동력 보다 많은 경우, 엔진은 정속으로 작동되며, 과잉의 동력은 제1모터/발전기(스피더)에 의해 배터리에 저장되는 전기에너지로 변환된다. 제2작동모드에서, 내연기관은 휘일을 직접 구동하며 트로틀된다. 엔진이 제공할 수 있는 동력 보다 많은 동력이 요구될 때, 제2모터/발전기(토오커)가 필요하게 된다.
따라서, 상기 미국특허 3,566,717호 및 3,732,751호에서는 내연기관에 의해 구동되는 2개의 분리된 전기모터/발전기가 제공되는데, 그중 하나인 스피더는 배터리를 충전하며, 다른 하나인 토오커는 차량을 전방으로 추진시킨다. 이러한 배치는 2개의 분리된 엔진제어모드를 필요로 하기 때문에 복잡성과 비용과 그리고 어려움을 제공하는 원천이 된다. 더구나, 조작자는 여러개의 작동모드 사이에서의 변환을 제어해야만 한다. 이러한 복잡한 차량은 자동차시장에서는 적합하지 않다. 대량생산을 위한 자동차는 종래차량 보다 작동이 복잡해서는 안되며, 기본적으로 "누구나 작동시킬 수 있는" 즉, 조작자 에러에 의한 손상에 견딜 수 있어야 한다.또한, 상기 미국특허 3,566,717호 및 3,732,751호에 개시된 기어트레인은 매우 복잡하며, 경제적으로 제조하기가 어렵다. 또한, 이러한 특허는 하나 또는 2개의 변속전동부를 요구하게 된다(미국특허 3,566,717호에서 컬럼3의 19-22행, 미국특허 3,732,751호에서 컬럼2의 23-55행).
린치 등에 허여된 미국특허 4,165,795호에도 초기의 평행 하이브리드 구동부가 개시되어 있다. 미국특허 4,165,795호에서는 비교적 소형인 내연기관이 제공되었을 때도 연료효율이 최대로 실현되므로, 엔진이 경제속도로 작동될 때 전형적인 용도에 필요한 평균동력을 생산할 수 있는 것에 대해 개시하고 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 2500RPM에서 최대 엔진출력이 25마력이고, 경제속도에서 17마력이다. 이것은 약 최대 30마력의 전기모터-발전기의 조합에 의한 것이다. 이러한 차량에서는 합릭적인 성능을 달성하기 위해 변속전동비를 필요로 한다. 엔진은 정속으로 계속 작동되며, 필요에 따라 모터에 의해 부가의 토오크가 제공되며, 엔진에 의해 생산된 과잉의 토오크는 배터리를 충전하는데 사용된다. 제1실시예에 따르면, 모터에 의해 제공된 토오크는 엔진을 통해 휘일을 구동시키도록 전동되며; 제2실시예에 따르면, 그 각각의 위치는 역전되어 있다.
니시다 등에 허여된 미국특허 5,117,931호에는 쌍으로 이루어진 베벨기어와 모터와 엔진의 상대회전비를 제어하기 위한 수단을 포함하는 "토오크 전동유니트"에서, 엔진모터로부터의 출력이 내연기관으로부터의 토오크와 조합되므로, 그 결과 모터는 엔진을 시동하거나, 엔진으로부터의 과잉토오크를 흡수하거나(배터리를 충전하므로써), 또는 부가의 추진토오크를 제공할 수 있는 평행 하이브리드 차량이개시되어 있다. 변속전동부(variable-speed transmission)는 토오크전동유니트와 추진휘일 사이에서 결합된다. 상기 토오크전동유니트와 변속전동부는 복잡하고 무거우며 또한 고가의 부품을 포함하고 있으므로, 그 사용을 피하고 있다.
헬링에 허여된 미국특허 3,923,115호에는 전기모터 및 내연기관으로부터의 토오크를 조합하기 위한 토오크전동유니트를 구비한 하이브리드 차량이 개시되어 있다. 그러나, 미국특허 3,923,115호에서는 모터와 엔진입력축의 상대회전비가 고정되어 있으며, 과잉의 전기에너지를 저장하는 배터리처럼 플라이휘일이 제공되어 과잉의 기계적 에너지를 저장한다. 알브라이드 2세 등에 허여된 미국특허 4,588,040호에는 과잉에너지를 저장하는 배터리와 함께 플라이휘일을 사용하며, 여러 부품들 사이에 매우 복잡한 기계적 연결부가 제공되는 하이브리드 구동부가 개시되어 있다. 베이츠 등에 허여된 미국특허 5,318,142호에서는 에너지를 저장하기 위해 커패시터가 제공되고 있다.
휘알스트룀에 허여된 미국특허 5,120,282호에는 2개의 전기모터로부터의 토오크가 내연기관에 의해 생성된 토오크와 조합되며, 이러한 조합은 쌍으로 이루어진 복잡한 위성기어세트를 배치하므로써 실행되고, 가변전동비를 사용하지 않고서도 도로속도의 변화를 허용할 수 있도록 불특정의 제어수단이 제공되는 평행 하이브리드 구동트레인이 개시되어 있다.
헌트에 허여된 미국특허 4,405,029호 및 4,470,476호에는 다중속도 전동부를 포함하여 복잡한 기어장치를 요구하는 평행 하이브리드가 개시되어 있다. 특히, 미국특허 4,405,029호 및 4,470,476호는 평행 하이브리드 차량의 다양한 실시예를서술하고 있다. 미국특허 4,470,476호에서 컬럼4의 6-20행에 따르면, 전기모터는 최대 20mph의 저속으로 차량을 구동하며, 엔진은 20mph 이상의 속도를 위해 사용되며, 15-30mph의 범위에서는 상기 두가지 동력원이 모두 사용되고 있다. 또한, 상기 두가지 동력원은 고부하 상태로 사용될 수 있다. 또한, 미국특허 4,405,029호 및 4,470,476호에 따르면, "차량은 속도에 따라 전기동력원으로부터 내연기관동력원으로 자동으로 이동될 수 있는 자동전환장치를 포함한다"라고 개시되어 있다(컬럼4의 12-16행).
그러나, 미국특허 4,405,029호 및 4,470,476호는 하기에 서술되는 바와 같은 본 발명의 목적에 부응할 수 없다. 미국특허 4,405,029호 및 4,470,476호의 각각의 실시예에 개시된 차량은 종래의 수동전동부 또는 자동전동부를 필요로 한다(컬럼2의 6-7행). 더구나, 내연기관은 "종래의 토오크 컨버터나 유체커플링"에 의해 이송케이스(내연기관 및 전기모터로부터의 토오크가 조합되는)에 연결된다(컬럼2의 16-17행). 이러한 전동부 및 유체커플링 또는 토오크컨버터는 비효율적이며 부피가 크고 비용이 많이 소요되며, 하기에 서술되는 바와 같이 본 발명의 목적에 비추어 보면 제거되어야 하는 것이다.
또한, 미국특허 4,405,029호 및 4,470,476호에 개시된 주요한 배터리 충전수단은 발전기형태의 전기모터를 구동시키는 터빈과 같은 바람직하지 못한 복잡한 부분들을 부가로 포함하고 있다. 상기 터빈에는 내연기관으로부터의 폐열이 공급된다(컬럼3의 10-60행). 미국특허 4,405,029호 및 4,470,476호의 내연기관은 부가적인 배터리충전 용량을 위해 교류발전기가 제공되어 그 복잡함을 더욱 가중시키고있다. 따라서, 상기 미국특허 4,405,029호 및 4,470,476호는 본 발명의 목적 즉, 연료효율을 개선하면서 성능과 비용과 복잡성에 있어서 종래차랑에 필적할 수 있는 하이브리드 차량에 대해서는 언급하고 있지 않다.
가와가츠에 허여된 미국특허 4,305,254호 및 4,407,132호에는 내연기관을 효율적으로 사용하기 위해 종래의 변속전동부와 전기모터와 교류발전기를 거쳐 구동휘일에 직접 연결된 단일의 내연기관이 개시되어 있다. 미국특허 4,405,029호 및 4,470,476호에 서술된 바와 같이, 엔진은 효율적인 엔진 속도범위에서 작동되어야 하며; 차량을 추진시키려고 하는 토오크 보다 더 많은 토오크가 생산될 때, 과잉의 출력은 배터리를 충전하는데 사용되며; 엔진이 불충분한 토오크를 제공할 때, 모터는 양호하게 작동된다.
가와가츠에 허여된 미국특허 4,335,429호에는 내연기관과 2개의 모터/발전기유니트를 포함하는 하이브리드 차량이 개시되어 있다. 배터리에 의해 작동되는 대형의 제1모터/발전기는 엔진에 의해 제공된 토오크가 불충분할 때 부가의 토오크를 제공하는데 사용되며; 상기 대형의 모터-발전기는 엔진에 의해 제공된 과잉토오크를 전기에너지로 변환하여 배터리에 저장하며, 이를 재생제동모드에 사용한다. 소형의 제2모터/발전기 또한 필요로 하는 부가의 토오크 및 재생제동을 제공하는데 사용된다.
특히, 미국특허 4,335,429호는 차량을 추진시킬 수 있는 충분한 크기의 토오크를 제공할 수 있는 크기의 단일 전기모터는 충분한 재생제동력을 제공할 수 없다고 주장하고 있다(컬럼1의 50행 내지 컬럼2의 8행). 따라서, 상기 가와가츠에 허여된 미국특허 4,335,429호 및 미국특허 4,335,429호에서는 2개의 분리된 모터/발전기가 제공되며, 분리된 엔진 시동모터도 제공된다(컬럼6의 22-23행). 도시된 실시예에 따르면, 대형의 모터/발전기는 휘일구동축에 연결되며, 엔진과 상기 소형의 모터/발전기는 분리제어가능한 3개의 클러치를 포함한 복잡한 기구를 거쳐 휘일에 연결된다(컬럼5의 50-62행).
수많은 특허가 상술한 하나이상의 범주에 속하는 하이브리드 차량 구동부에 대해 개시하고 있다. 또한, 수많은 특허에는 조작자가 전기동작과 내연기관동작을 선택해야만 하는 시스템이 개시되어 있으며; 예를 들면, 전기모터는 배기가스가 위험을 초래하게 되는 내부구조부에서 조작되도록 제공되며, 내연기관은 외부에서의 조작을 위해 제공된다. 또한, 저속에서 사용하기 위한 전기모터와 고속에서 사용하기 위한 내연기관을 포함하는 하이브리드 차량도 공지되어 있다. 그리고, 최대출력토오크를 필요로 할 때 이들 두 구성요소를 사용할 것도 공지되어 있다. 여러가지 경우에 있어서, 전기모터는 상이한 세트를 구동시킨다(쉐어에 허여된 미국특허 4,180,138호, 필즈 등에 허여된 미국특허 4,351,405호, 케넌에 허여된 미국특허 4,438,342호, 엘러즈에 허여된 미국특허 4,923,025호).
이러한 특허에는 다른 많은 문헌이 그러했던 것처럼 변속전동부를 필요로 한다. 상술한 바와 같은 전동부는 전형적으로 내연기관 및/또는 전기모터가 저속에서 충분한 토오크를 제공할 수 없는 곳에 사용된다(로젠에 허여된 미국특허 4,269,280, 피알라에 허여된 미국특허 4,400,997호, 우 등에 허여된 미국특허 4,697,660호). 기노시타에 허여된 미국특허 3,970,163호에는 가스터빈엔진이 3개의 속도전동부를 통해 로드휘일에 연결되고, 저속에서 부가의 토오크를 제공하기 위해 전기모터가 제공되는 일반적인 형태의 차량이 개시되어 있다.
상술한 바와 같은 시리즈 하이브리드 차량의 또 다른 예로는 브레이에 허여된 미국특허 4,095,664호와, 커밍즈에 허여된 미국특허 4,148,192호와, 모나코 등에 허여된 미국특허 4,306,156호와, 파크에 허여된 미국특허 4,313,080호와, 매카시에 허여된 미국특허 4,354,144호와, 하이드메이어에 허여된 미국특허 4,533,011호와, 가와무라에 허여된 미국특허 4,951,769호와, 스즈키 등에 허여된 미국특허 5,053,632호 등을 들 수 있다. 이들은 하이브리드 차량의 제조나 그 사용시 발생되는 특수한 문제점이나 특이한 디자인에 대해 서술하고 있다. 예를 들어, 파크에 허여된 미국특허 4,313,080호는 배터리의 특수한 충전 및 방전을 개시하고 있으며; 매카시에 허여된 미국특허 4,354,144호는 2개의 전기모터를 구동하는 내연기관이 구비된 복잡한 구동시스템을 개시하고 있으며; 상기 미국특허 4,354,144호에 의해 생성된 토오크는 연속적인 가변기어비를 제공하는 복잡한 차동부에 의해 조합된다. 하이드메이어에 허여된 미국특허 4,533,011호에서는 제1마찰클러치에 의해 내연기관을 전기모터에 연결하고, 상기 모터를 제2마찰클러치에 의해 전동부로 연결하고 있다.
하이브리드 차량에 대한 또 다른 실시예로는 내연기관으로서 가스터빈을 사용하는 시리즈 하이브리드를 개시하고 있는 토이에 허여된 미국특허 3,525,874호와; 제한된 전류의 커패시터 배터리가 사용될 수 있도록, 압축공기를 사용하거나 또는 시리즈 하이브리드의 내연기관을 위한 이와 유사한 기계적 시동기의 사용을개시하고 있는 야드니에 허여된 미국특허 3,650,345호와; 사이리스터 배터리충전부와 모터구동회로에 대한 개선점을 개시하고 있는 나카무라에 허여된 미국특허 3,837,419호를 들 수 있다. 또한, 디인에 허여된 미국특허 3,874,472호와, 호윈스키에 허여된 미국특허 4,042,056호와, 양에 허여된 미국특허 4,562,894호와, 키디에 허여된 미국특허 4,611,466호와, 렉센에 허여된 미국특허 4,815,334호와, 모리에 허여된 미국특허 3,623,568호와, 그레이디 2세에 허여된 미국특허 3,454,122호와, 팝스트에 허여된 미국특허 3,211,249호와, 님스 등에 허여된 미국특허 2,666,492호 및 마츠가타에 허여된 미국특허 3,502,165호도 그 개념상 약간의 일탈이 있지만, 하이브리드 차량에 대해 서술하고 있다. 평행 하이브리드 차량 구동시스템을 개시하고 있는 특허로는 프렐리히에 허여된 미국특허 1,824,014호와, 레인벡에 허여된 미국특허 3,888,325호가 있다. 메디나에 허여된 미국특허 4,578,955호에는 배터리의 충전에 필요한 발전기를 구동시키는데 가스터빈이 사용되는 하이브리드시스템이 개시되어 있다. 본 발명의 특징과 유사한 상기 미국특허 4,578,955호에 따르면, 배터리팩은 144, 168, 또는 216볼트 범위의 전압을 가지며, 발전기는 400 내지 500암페어의 전류를 분배한다. 본 기술분야의 숙련자라면 이러한 고전류는 상당한 저항열 손실을 포함하게 되며, 부가적으로 모든 전기연결은 볼트 및 너트와 같은 기계적 체결수단이나 용접에 의해 이루어질 필요가 있다는 것을 인식해야만 한다. 특히, 본 기술분야의 실무상 안전상의 이유로 인해, 50암페어를 초과하는 전류는 편리하고 경제적이라는 이유만으로 종래의 플러그인 커넥터에 의해 이송될 수 없으며, 보다 크고 고가이며 편리함이 덜한 고정커넥터에 의해 이송되어야만 한다(종래의 시동기나 배터리케이블 연결부에서처럼). 따라서, 하이브리드 차량의 전기모터는 저전류에서 작동되는 것이 바람직하다.
위버에 허여된 미국특허 5,765,656호에는 가스터빈이 내연기관으로 사용되고, 수소가 연료로 사용되는 시리즈 하이브리드가 개시되어 있다.
야마카와에 허여된 미국특허 4,439,989호에는 2개의 다른 내연기관이 제공되고 부하가 낮을 때 그중 하나만 작동되는 시스템이 개시되어 있다. 이러한 장치는 매우 복잡하며 제조하기에는 너무 고가이다.
하이브리드 차량의 구동부에 대한 여러특징은 SAE PAPER 제910247호(1991)에서, 칼레라가 저술한 "승용차 및 택시를 위한 전기하이브리드 구동시스템"에 상세히 개시되어 있다. 상기 칼베란의 저술에 의하면, 먼저 "직동식" 전기 시리즈 하이브리와 평행 하이브리드트레인을 비교한 후, 적어도 일반용도로 사용시에는 평행 하이브리드가 바람직하다고 결론짓고 있다(즉, 저속의 한정된 조건과 제한된 범위의 도시주행시, 직동식 전기차량이 유용하다). 또한 칼베란은 도4에서 여러형태의 평행 하이브리드를 비교한 후, 실질적으로 가장 적합한 장치는 내연기관이 제1차륜쌍을 구동하고, 전기모터가 제2차륜쌍을 구동하는 것으로 결론짓고 있으며; 특히, 칼베란은 내연기관 및 전기모터로부터의 토오크에 대한 기계적 조합이 비현실적인 것이라고 서술하고 있다.
가드너에 허여된 미국특허 5,301,764호 및 5,346,031호는 상기 칼베란의 가르침에 따라 적어도 2개의 차륜쌍을 분리하여 구동시키고; 그중 한쌍은 제1전기모터에 의해 구동되며, 제2차륜쌍은 제2전기모터 또는 선택적으로 소형의 내연기관에의해 구동시키고 있다. 이에 따르면 차량의 작동모드에 따라, 차륜 및 발전기에 다양한 구동토오크원이 연결될 수 있도록 3개의 다른 클러치가 제공되고 있다. 상기 내연기관은 지속적으로 작동하여, 차량이 주행모드일 때 구동토오크를 제공하며; 기타 다른 시간에는 전기모터를 구동시키는 배터리의 충전에 사용된다.
불럭이 저술한 SAE PAPER 제891659호(1989)에서 "하이브리드 및 전기차량의 생존가능성에 대한 중량과 체적과 동적범위 및 에너지능력의 기술적 제한"에 따르면, 그 부하의 관점에서 전기차량의 상세한 이론적 분석과 유용가능한 다양한 배터리형태를 상세히 분석하고 있다. 상기 불럭의 저술에 따르면, 변속전동부를 거쳐 휘일을 구동시키는 특성이 상이한 2개의 전기모터를 구비한 차량이 자동차용으로 최적인 것으로 결론짓고 있다(도8). 또한 상기 SAE PAPER 제891659호에서는 배처리를 충전하기 위해 내연기관을 사용할 것을 제안하고 있지만, 엔진의 토오크와 모터의 토오크를 조합하는 것에 대해서는 언급하고 있지 않다(제24-25페이지).
1992년 2월에 발간된 SAE의 SP-915호의 "전기 및 하이브리드 차량 기술"에는 이와 관련된 여러 문헌이 서술되어 있다. 또한 1995년 7월에 발간된 IEEE Spectrum, 32권 7호에는 우크가 저술한 "하이브리드의 현상황"과, 베이트가 저술한 "도로상에서의 포드 HEV"와, 킹 등이 저술한 "이송버스는 하이브리드 루트를 달린다"가 게재되어 있다.
어번 등에 허여된 미국특허 5,667,029호에는 평행 하이브리드에 대한 2개의 실시예가 개시되어 있는데, 그중 제1실시예는 도1 내지 도9에 도시되어 있고, 제2실시예는 도12 내지 도17에 개시되어 있다. 이러한 두 실시예는 유사한 작동모드를 포함하여 공통의 다양한 특징들을 갖고 있다. 그 제1실시예에서, 내연기관은 로드휘일이나 발전기에 토오크를 제공하며, 2개의 전기모터는 재생제동중 로드휘일이나 충전배터리에 토오크를 제공한다. 엔진과 모터로부터의 토오크는 입력축에서 변속전동비와 조합된다. 예를 들어, 엔진의 토오크가 모터를 회전시키지 않고 로드휘일로 인가되도록 오버런닝클러치가 제공될 수도 있다.
컬럼6의 25-54행에 개시된 바와 같이, 다양한 변속모드 사이에서의 전이는 가속페달의 위치에 대해 자동으로 이루어지며; 예를 들어, 만일 조작자가 페달을 설정점을 지나지 않고 가압하였다면, 오직 내연기관만이 차량을 추진하는데 사용되며; 만일 조작자가 페달을 완전히 가압하였다면, 전기모터가 작동된다. 작동모드에서의 다른 변화도 조작자에 의해 직접 이루어져야만 하며, 예를 들어 차량은 짧은 기간의 여행을 위해 조작자의 적절한 제어에 의해 "직동식 전기"차량으로서 작동될 수도 있다(컬럼7의 49-56행).
미국특허 5,667,029호는 다수의 주요한 결점을 내포하고 있다. 첫째로, 내연기관은 차량을 정상환경하에서 주행속도로 가속하고(컬럼5의 3-10행) 또한 주행중인 차량을 추진하는데(컬럼6의 48-54행) 필요로 하는 모든 토오크를 제공해야만 한다. 전기모터는 오직 급가속 및 오르막 길 주행용으로만 사용되어야 한다(컬럼5의 10-13행). 연속적인 가변전동비로 작동되는 20마력의 엔진과 토오크컨버터가 이러한 목적에 적합하다고 기재되어 있다. 이러한 부품들은 매우 복잡하고 고가인 반면에, 토오크컨버터는 상당히 비효율적이다. 또한, 저속주행을 위해 가솔린동력원으로서 내연기관을 사용하면 예를 들어 신호등에서 저속으로 주행해야만 하는데,이것은 비효율적이며 오염물을 다량으로 배출하게 된다(여러 문헌에 따르면, 과잉의 토오크는 배터리를 충전하는데 사용되며, 만일 이것이 미국특허 5,667,029호의 시스템에 사용된다면, 엔진은 차량이 정지중일 때도 상당히 합리적인 출력레벨로 작동되지만, 이것은 소음과 진동을 초래하게 된다. 그 어떤 경우라도, 미국특허 5,667,029호는 이에 대해 전혀 고려하고 있지 않다).
한편, 미국특허 5,667,029호에 따르면, 차량은 저속상태하에서 "직동식 전기"로서 작동될 수 있지만, 이러한 복잡함은 미국특허 5,667,029호에서 의도하는 대기오염의 감축과 에너지 소모의 감소라는 목적을 달성하는데 필요로 하는 것처럼, 다량으로 판매되는 차량에서는 허용될 수 없다. 상술한 바와 같이, 하이브리드 차량 작동은 상업적으로 성공할 기회를 갖기 위해서는 기본적으로 사용자로 하여금 "누구나 작동시킬 수 있는" 또는 "너무 쉬운" 것이어야 한다.
미국특허 5,667,029호의 제2실시예서는 토오크가 엔진으로부터 가변전동비로 전동되는 단일의 "다이너모터(dynamotor)"를 사용하고 있지만, 상술한 바와 동일한 작동상의 결점을 내포하고 있다.
미국특허 5,667,029호의 제2실시예는 그 서술된 차량의 작동방법에 관한 것으로서, 이 또한 동일한 결점을 내포하고 있다.
여러 문헌들은 도요타 모터 컴파니의 하이브리드 차량이 조만간에 상업적으로 유용할 것으로 서술하고 있다. 그 예로는, 1997년 7월호의 "자동차 엔지니어링"의 55-59페이지에서 야마구치가 저술한 "도요타는 가솔린/전기 하이브리드 시스템을 준비하고 있다"와, 1997년 6월 2일자의 "오토위크"의 17-18페이지에서 윌슨이저술한 "전기도 아니고 가솔린도 아닌 그러나 이 모두를 포함하는"과, 1998년 2월 23일자의 "오토위크"의 12-13페이지에서 벌진이 저술한 "미래 산업, 조용히"와, 도요타 브로우셔의 "도요타 전기 및 하이브리드 차량" 등에 개시되어 있다. 도요타 차량의 동력트레인(powertrain)에 대한 상세한 설명은 SAE PAPER 제981122호(1998)의 19-27페이지에서, 나카사카 등이 저술한 "도요타 하이브리드시스템을 위한 하이브리드/배터리 ECU의 발전"에 상세히 개시되어 있다. 상기 윌슨의 저술에 따르면, 도요타는 인가된 라벨에 관계없이 이러한 차량을 "시리즈-평행 하이브리드"로 묘사하고 있으며; 그 동력트레인은 미국특허 3,566,717호 및 3,732,751호에 개시된 것과 유사한데, 이에 따르면 내연기관 및/또는 전기모터로부터의 토오크는 "동력분할기구"에서 제어가능하게 조합된 후 가변전동비의 기능을 제공하는 위성기어세트를 통해 구동휘일로 전동되고 있다(상기 나카사카 등이 저술한 "도요타 하이브리드시스템을 위한 하이브리드/배터리 ECU의 발전"의 19-20페이지)
후루타니에 허여된 미국특허 5,495,906호에는 가변전동비를 통해 제1휘일세트를 구동하는 내연기관과 제2휘일세트를 구동하는 전기모터가 구비된 차량이 개시되어 있다. 이에 따르면, 그 엔진은 저속에서 연속적인 작동을 위한 것이 명백하며, 에너지를 모터에 제공하는 배터리를 충전하도록 발전기를 작동시키며, 고속에서 엔진 및/또는 모터는 차량을 추진시키는 것으로 서술하고 있다. 일부환경에서는 전동을 필요로 하지 않는다(예를 들어, 컬럼3의 4-8행과 컬럼5의 59-64행을 비교할 것).
프랭크에 허여된 미국특허 5,842,534호는 하이브리드 차량을 위한 "충전고갈"제어방법을 서술하고 있으며, 이에 따르면 내연기관은 기본적으로 배터리상태가 차량이 재충전포인트에 도달되지 않도록 할 때만 사용된다(컬럼3의 50-55행). 정상작동시, 배터리는 외부동력원에 의해 충전된다. 또한, 상기 미국특허 5,842,534호는 2모드 제동페달동작을 개시하고 있는데, 이에 따르면 페달이 설정점을 지나서 가압될 때 기계적 브레이크가 재생제동과 함께 결합되는 것으로 서술되어 있다.
레티어 등에 허여된 미국특허 5,823,280호에는 최적의 효율범위내에서 작동될 수 있도록 내연기관의 축과 제1 및 제2전기모터가 모두 동축으로 형성되고, 엔진은 클러치에 의해 제1모터에 연결되며, 상기 제1모터는 위성기어세트에 의해 제2모터에 연결되므로, 모터의 속도가 변속되는 평행 하이브리드 차량이 개시되어 있다(컬럼4의 57행 내지 컬럼5의 60행).
나카에 등에 허여된 미국특허 5,826,671호에는 내연기관으로부터의 토오크가 위성기어세트에서 모터로부터의 토오크와 조합되고, 그 사이에 클러치가 제공되는 평행 하이브리드가 개시되어 있다. 이러한 발명은 연소되지 않은 연료의 방출을 제한하여 방출물을 감축시키기 위한 엔진워밍업 상태의 검출에 관해 서술하고 있다.
다니구치 등에 허여된 미국특허 5,846,155호에는 내연기관 및 모터로부터의 토오크가 위성기어세트에서 다시 조합되고, 연속적인 가변전동비의 사용에 대한 개선점을 서술한 평행 하이브리드가 개시되어 있다.
본 기술분야의 숙련자라면 예를 들어 내연기관 및 전기모터와 같은 상이한 구동원을 차량의 구동휘일에 연결하기 위한 수단으로서 위성기어세트를 사용시 그고유의 주요한 제한사항이 있음을 인식해야 한다. 즉, 만일 위성기어세트가 효과적으로 로킹되지 않는다면(예를 들어 도요타 차량에서 연속적인 가변전동비로서 사용하기에는 짜증나는), 축 속도를 부가로 조합할 수 있지만, 출력토오크는 조합할 수 없다. 따라서, 전기모터와 내연기관의 출력토오크의 조합이라는 장점과 함께, 평행 하이브리드 구동트레인의 주요한 장점은 단지 위성기어세트가 로킹될 때만 사용할 수 있다. 이러한 사실은 예를 들어 레티어 등에 허여된 미국특허 5,823,280호의 컬럼6의 27행에 의해 확인할 수 있다.
1999년 12월 8일자로 버그리온에 허여된 미국특허 5,845,731호에 따르면 본 발명의 청구범위에 대한 참고문헌으로는 유용하지 않다. 미국특허 5,845,731호에 도시된 기본적인 동력트레인은 제1클러치(18)를 통해 제1전기모터(20)에 연결되고, 다시 제2클러치(24)를 통해 제2전기모터(26)에 연결되는 내연기관(12)을 포함하며, 휘일은 제2모터(26)에 의해 구동된다(컬럼3의 8행). 미국특허 5,845,731호에서 전체적인 하이브리드 동작은 도4에 도시되어 있다. 저속에서, 제1모터나 제2모터 또는 제1 및 제2모터 양자는 엔진정지, 아이들링, 또는 발전기로서 하나의 모터를 구동하도록 작동될 때 차량을 추진시키는데 사용된다. 저속주행중에는 제2모터가 차량을 추진시키며, 고속주행중에는 엔진이 차량을 추진시킨다. 고속에서 가속을 필요로 할 때에는 엔진과 두 모터가 차량을 추진시키는데 사용된다. 버그리온에 허여된 미국특허 5,845,731호에 따르면, 가변전동비는 필요하지 않으며(컬럼3의 9행), 제1모터는 엔진을 시동시키는데 사용된다(컬럼4의 8-15행).
에사니에 허여된 미국특허 5,586,613호에는 "전기적 정점 하이브리드"차량이개시되어 있다. 이러한 차량에 있어서, 엔진은 연속적으로 작동되며, 과잉토오크는 배터리를 충전하는데 사용되고, 엔진의 출력토오크가 부적절할 때 부가의 추진토오크를 제공하기 위해 하나이상의 모터가 사용된다. 상기 미국특허 5,586,613호의 실시예에서는 전동부가 제공된다. 2개의 모터를 포함하는 실시예가 도7에 도시되어 있으며, 그 변형예에 대해서는 컬럼9의 4-5행에 도시되어 있다. 도7은 발전기로 작동가능한 모터인 제1"전기장치"에 의해 제1휘일세트를 구동시키는 것을 도시하고 있다. 이러한 구동장치는 제2구동장치와는 별개이며, 따라서 제2휘일세트는 제1클러치를 통해 제2전기장치에 연결되고 다시 제2클러치에 의해 제2휘일세트에 연결된 엔진에 의해 구동된다. 미국특허 5,586,613호에서는 제1전기장치에 연결된 구동축이 엔진에 의해서도 구동될 것을 제안하고 있다(컬럼9의 4-5행). 제1전기장치가 지지되는 것이 명확하진 않지만, 도1의 실시예와 동일한 도7에 도시된 변형예는 공통의 구동축에 의해 구동되는 모두 4개의 휘일을 구비하도록 변형되었다.
이러한 특허에 따르면 본 발명자가 소유하고 있으며 본 발명에 참조인용된 미국특허 5,343,970호(이하, "'970특허"라 칭한다)에 개시된 하이브리드 차량의 강화에 대한 개선점을 서술하고 있다. 그 차이점에 따르면, '970특허에 도시된 차량디자인의 특징은 본 발명에 서술된 차량에도 작용할 수 있다. 상기 '970특허에 대한 상세한 설명은 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되지 않는다.
일반적으로, 상기 '970특허에서는 내연기관과 전기모터와 차량의 구동휘일 사이로 토오크를 전동할 수 있도록 제어가능한 토오크전동유니트가 제공되는 하이브리드 차량을 개시하고 있다. 토오크의 전동방향은 차량의 작동모드에 응답하여 광범위한 작동상태에 대해 고효율의 작동과 양호한 성능을 제공하는 마이크로프로세서에 의해 제어된다. 배터리뱅크에 저장된 전기에너지 또는 연료가능한 연료로서 저장된 화학에너지의 에너지흐름도 마이크로프세서에 의해 제어된다.
예를 들어, 상기 '970특허에 개시된 하이브리드 차량의 작동모드에 따르면, 저속의 도시주행시 전기모터는 배터리로부터 흐르는 에너지에 응답하여 필요로 하는 모든 토오크를 제공한다. 내연기관이 효율적으로 작동될 수 있는 고속의 고속도로주행시에는 전형적으로 모든 토오크를 제공하며, 가속이나 오르막 길 주행 또는 추월시 부가의 토오크가 전기모터에 의해 제공된다. 상기 전기모터는 내연기관을 시동시키는데 사용될 수도 있으며, 고체상태의 마이크로프로세서제어되는 인버터에 의해 그 권취부를 적절히 연결하므로써 발전기로서도 작동할 수 있다. 예를 들어, 배터리뱅크의 충전상태가 상당히 고갈되었을 때, 예를 들어 도시에서 배터리만으로의 장시간 주행후, 배터리뱅크를 효율적으로 충전하기 위해 내연기관이 시동되어 모터를 그 최대 토오크출력의 50 내지 100%로 구동시킨다. 마찬가지로, 제동이나 내리막 길 주행시, 차량의 운동에너지는 재생제동에 의해 저장된 전기에너지로 전환될 수 있다.
상기 '970특허에 도시된 하이브리드 구동트레인은 종래기술에 비해 본 발명에 의해 지지되는 다양한 장점을 포함하고 있다. 예를 들어, 전기구동모터는 내연기관의 동력 보다 크거나 같은 고동력으로 선택되거나, 또는 저속에서 높은 토오크출력특성을 갖도록 선택될 수 있으므로, 종래의 다변속차량전동부가 제거될 수 있다. 종래기술과 비교하였을 때, 배터리뱅크와, 모터/발전기와, 그 관련의 동력회로는 고전압 및 저전류에서 작동되어, 저항열로 인한 손실을 감축시킬 수 있으며, 부품의 선택과 그 연결부를 간단화시킬 수 있다.
따라서, 상기 '970특허를 포함하는 종래기술은 그 최적효율의 작동범위에서 내연기관의 바람직한 작동에 대해 서술하고 있으며, 또한 내연기관에 가해지는 부하의 변동을 제거하도록 배터리가 제공되어 전기모터에 공급되는 에너지를 저장하고 있지만, 몇가지 개선할 점이 남아 있다. 특히, 시스템의 작동변수를 최적화하고 상기 '970특허를 포함하는 종래기술에 비해 평행 하이브리드시스템을 단순화시키면서, 평행 하이브리드시스템의 작동상 유연성을 획득할 필요가 있다.
본 발명은 차량의 구동휘일에 토오크를 제공하기 위해 내연기관과 하나이상의 전기모터가 제공되는 하이브리드 차량에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 성능과 작동환경과 제조비용면에서 종래차량에 완전히 우위에 있으며, 연료비용이 절감되며 오염물의 방출이 감소되는 하이브리드 전기차량에 관한 것이다.
도1은 갤론/마력-시간에서 종래의 자동차에 사용된 엔진의 상대적 연료소모들 도시하는, 전형적인 내연기관용 회전속도에 대한 출력의 비율을 도시한 도면.
도2는 도1과 유사한 환경하에서 본 발명에 사용된 소형 내연기관의 작동을도시한 도면.
도3은 본 발명에 따른 하이브리드 차량 구동시스템의 제1실시예의 주요부품을 개략적으로 도시한 도면.
도4는 본 발명의 제2실시예로서, 도3에 도시된 기계적 배열과는 상이하며 두 실시예에 제공된 여러 제어신호를 도시하는, 본 발명의 구동시스템의 주요부품을 개략적으로 도시한 도면.
도5는 배터리뱅크와, 인버터와, 모터회로를 부분적으로 도시한 도면.
도6은 차량의 동력트레인의 다른 작동모드를 3차원으로 도시한 것으로서, 차량의 작동모드가 배터리뱅크의 충전상태와 순간도로부하 및 시간의 함수인 것을 도시한 도면.
도7의 (a) 내지 (c)는 도로부하와 엔진토오크출력과 배터리뱅크의 충전상태와 시간의 함수인 엔진작동을 도시한 타이밍도로서, 저속의 도시주행과 고속도로 주행과 연장된 고부하 주행을 도시한 도면.
도8a 내지 도8d는 여러 작동모드에서 본 발명의 하이브리드 동력트레인의 부품들중에서 토오크 및 에너지의 흐름을 도시한 도면.
도9는 본 발명에 따른 차량에 의해 제공되는 제어전략을 실행하기 위해, 마이크로프로세서에 사용되는 알고리즘 챠트를 개략적으로 도시한 도면.
도9a는 도9에 사용된 엔진시동 서브루틴의 흐름도.
도9b는 변형된 차량제어전략을 실행하기 위해 도9에 도시된 단계들중 한 단계를 변경한 도면.
도9c는 변형된 차량제어전략을 실행하기 위해 도9에 도시된 단계들중 또 한 계를 변경한 도면.
도10은 내연기관의 전기시동모터 및 주전동모터의 속도특성에 대한 양호한 토오크를 도시한 도면.
도11은 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 동력트레인의 다른 실시예로서, 필요할 때만 사용될 수 있도록 제어가능하게 작동되는 과급기가 엔진에 제공된 것을 도시한 도면.
도12는 도6과 유사한 3차원으로 도시된 도면으로서, 도11의 과급형 하이브리드 차량의 작동모드를 도시한 도면.
도13의 (a) 내지 (c)는 과급형 하이브리드 차량의 전형적인 작동모드를 도시한 도면.
본 발명의 목적은 현존의 내연기관 및 하이브리드 차량에 비해 연료의 경제성이 증가되고 오염물의 방출이 감축되며, 성능과 작동의 편리성과 비용 및 복합함, 및 중량면에서 심각한 결함을 초래하지 않는 개선된 하이브리드 전기차량을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 현존의 내연기관 및 하이브리드 차량에 비해 연료의 경제성이 증가되고 오염물의 방출이 감축되며, 특별한 훈련없이 종래차량에 익숙한 조작자에 의해 효율적으로 작동가능하며, 종래차량을 지지하기 위해 수년간 구축해온 현존의 기반시설을 개조할 필요성이 없는 개선된 하이브리드 전기차량을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 현재 널리 사용되고 있는 연료 및 배터리로 작동될 수 있고, 이에 따라 조작자가 신규의 연료공급장치에 관련된 새로운 조작기법을 습득할 필요가 없으며, 복잡한 신기술을 채택한 배터리의 유지보수에도 주의를 필요가 없는 개선된 차량을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 내연기관과 2개의 분리제어된 전기모터가 독립적으로 작동되거나 또는 토오크를 차량의 구동휘일에 동시에 인가할 수 있으며, 불편하지 않으며 성능이나 비용면에서 최대의 연료효율을 실현할 수 있도록 제어가능한 개선된 시리즈 하이브리드 전기차량 및 평행 하이브리드 전기차량을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 내연기관의 평균출력의 적어도 100%와 동일한 출력을 제공하는 2개의 전기모터를 포함하므로써, 엔진이 최적의 상태로 운전되어 실질적인 연료경제성을 달성할 수 있고 작동시 불필요한 오염물의 방출을 감축시킬 수 있는 시리즈 하이브리드 전기차량 및 평행 하이브리드 전기차량을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 적정의 고속작동에 필요한 평균동력을 효율적으로 제공할 수 있는 크기의 내연기관과, 가속 및 오르막 길 주행에 필요한 부가동력을 분배할 수 있는 크기의 2개의 분리제어되는 전기모터가 제공되는 시리즈 하이브리드 전기차량 및 평행 하이브리드 전기차량을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전기모터와 배터리충전회로가 최대 30-50암페어의 지속적인 전류에서 작동되므로써(최고부하 상태에서 단기간에 상당히 큰 전류가 흐른 경우라도), 저항열 손실이 상당히 감소되고 이에 따라 저가의 간단한 전기 제조 및 연결기법이 사용될 수 있는 시리즈 하이브리드 전기차량 및 평행 하이브리드 전기차량을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 '970특허에 도시된 제어가능한 토오크전동유니트가 필요없으며, '970특허에 도시된 하이브리드 차량의 기능적 장점을 제공할 수 있는 하이브리드 구동시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 예를 들어 조작자가 가속페달을 부드럽게 가압하거나 거칠게 가압하는 것을 구분하기 위해, 최근의 제어입력에 따라 설정의 순간제어입력과는 다르게 반응하는 하이브리드 구동트레인을 제어할 수 있는 제어방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 시동중 공급된 연료/공기 혼합물을 제어하고, 엔진을 트로틀시키고, 예열된 촉매컨버터를 제공하고, 불연소연료를 최소화하여 연료경제성을 향상시키는 동시에, 비교적 높은 RPM에서의 엔진시동을 허용하기 위해 본 발명의 개선된 하이브리드 구동트레인에 의해 제공되는 제어변동성을 사용하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 엔진시동모터로서, 기본속도까지 거의 일정한 토오크를 생산한 후 토오크를 지속적으로 생산하는 모터를 사용할 수 있으며, 이에 따라 생산된 토오크가 차량을 추진시키는데도 사용될 수 있는, 본 발명의 개선된 하이브리드 구동트레인에 의해 제공되는 제어변동성을 사용하는 것이다.
본 발명의 기타 다른 목적과 특징 및 장점은 하기에 서술되는 바에 의해 명백하게 될 것이다.
상술한 바와 같이, '970특허는 내연기관과 전기모터와 차량의 구동휘일 사이로 토오크를 전동시킬 수 있는 제어가능한 토오크전동유니트가 제공된 하이브리드차량이 개시되어 있다('970특허의 도3 내지 도11). 토오크의 전동방향은 차량의 작동모드에 응답하여 광범위한 작동상태에 대해 고효율의 작동과 양호한 성능을 제공하는 마이크로프로세서에 의해 제어된다. 배터리뱅크에 저장된 전기에너지 또는 연료가능한 연료로서 저장된 화학에너지의 에너지흐름도 마이크로프세서에 의해 제어된다.
본 발명에 따르면, '970특허에 도시된 제어가능한 토오크전동유니트는, 도시된 바와 같은 단일의 전기모터를 발전기와 주전동모터로서 적절히 작동가능한 2개의 분리된 모터로 대체하므로써 제거될 수 있다('970특허의 도3 및 도4). 엔진은 차량조작자에 의해 제공된 입력지령과 차량의 작동모드에 응답하는 마이크로프로세서에 의해 작동되는 클러치에 의해 구동휘일에 연결된다. 이러한 '970특허에서는 필요한 주행속도범위에 적합한 토오크를 충분히 제공할 수 있는 크기로 구성된 내연기관이 제공되며, 이러한 내연기관은 필요시 배터리충전부로 사용될 수도 있다. 비교적 고동력인 주전동모터는 차량의 출력축에 직접 연결되며; 상기 주전동모터는 저속상태에서 차량을 추진하는 토오크를 제공하며, 고속구동시 필요에 따라 예를 들어, 가속, 추월, 오르막 길 주행시 부가의 토오크를 제공한다.
본 발명에 따르면 저동력이 시동모터가 제공되며, 이러한 모터는 필요시 차량을 추진하는 토오크를 제공하는데 사용될 수도 있다. 이러한 제2모터는 엔진을 시동하기 위해 내연기관에 직접 연결된다.
풍부한 연료/공기 혼합물을 필요로 하는 시동시에 저속에서 내연기관을 회전시키는(예를 들어, 60 내지 200RPM) 종래의 시동기모터와는 달리, 본 발명에 따른시동기는 시동시 엔진을 비교적 고속으로, 예를 들어 300RPM으로 회전시키며; 따라서 종래의 엔진 보다 연료가 풍부하지 않은 연료/공기 혼합물로 엔진을 시동시키므로써, 불필요한 방출물을 감축시키며 시동시 연료경제성을 개선시킨다. 엔진배기중 불연소된 연료를 촉매연소시키기 위해 제공되는 촉매변환기는 엔진을 시동시키기 전에 유효작동온도로 예열되므로, 방출물을 더욱 감소시킨다.
하기에 상세히 서술되는 실시예에서, 시동모터는 엔진에 직접 연결되며; 이러한 조합체는 토오크를 전동하기 위해 클러치에 의해 주전동모터에 연결되며; 상기 주전동모터의 출력축은 차량의 로드휘일에 연결된다. 다른 실시예에 따르면, 엔진/시동모터 조합체는 클러치를 통해 제1로드휘일세트에 연결될 수도 있으며, 상기 주전동모터는 또 다른 로드휘일세트에 연결되며; 또 다른 실시예에 따르면, 다수의 주전동모터가 제공될 수도 있다. 이들 각각의 경우에 있어서, 엔진은 클러치의 제어에 의해 로드휘일로부터 제어가능하게 분리될 수 있다. 클러치의 결합은 예를 들어 차량의 작동상태와 현재의 조작자 입력값에 응답하여 예를 들어 전기작동기나 유압작동기를 제어하는 마이크로프로세서에 의해 제어된다.
예를 들어, 저속작동시 클러치는 분리되므로, 엔진이 휘일로부터 분리되고; 차량은 동력이 배터리뱅크로부터 인출되어 주전동모터로 공급되는 직동식 전기차량으로서 작동된다. 배터리가 심하게 고갈되었다면(예를 들어, 완전충전의 50%까지 방전된 경우), 시동기모터는 내연기관을 시동하기 위해 사용되며; 그후 연료를 효과적으로 사용하기 위해 비교적 높은 토오크출력(예를 들어, 그 최대토오크의 약 50 내지 100% 범위)으로 작동되며; 시동모터는 배터리뱅크를 충전하기 위해 고출력발전기로서 작동하게 된다.
이와 마찬가지로, 조작자가 주전동모터 단독으로 사용하는 것보다 많은 동력을 요구할 때 즉, 고속도로에서 가속시, 시동기모터는 내연기관을 시동시키며; 필요로 하는 토오크가 생산되는 엔진속도에 도달되었을 때 클러치가 결합되므로, 엔진과 시동기모터는 부가의 토오크를 제공할 수 있게 된다. 상술한 바와 같이, 엔진은 시동을 위해 비교적 고속으로 회전하므로, 엔진은 요구속도에 신속히 도달된다.
'970특허에서, 엔진은 차량은 적절한 고속도로 주행속도로 충분히 유지시키는 동력을 제공할 수 있는 크기를 가지며, 양호한 연료효율을 제공하는 토오크범위에서 작동되므로; 만일 등판이나 추월할 때처럼 부가의 동력이 요구된다면, 필요에 따라 주전동모터 및/또는 시동기모터가 결합될 수도 있다. 상기 주전동모터와 시동기모터는 가속이나 감속시 차량의 운동에너지를 전기동력으로 전환하기 위해 조작자에 의해 작동될 수 있다. 또한, '970특허에서, 이와 등가인 가변전동비를 사용하지 않고서도 양호한 성능을 제공하기 위해, 2개의 모터의 정점동력은 엔진의 평균동력과 적어도 동일하다.
이러한 차량의 각각의 동작특성과 '970특허에 있어서, 차량의 조작자는 작동시 차량의 하이브리드특성을 고려할 필요는 없으며, 가속페달과 제동페달을 조작하여 단순히 그 제어입력값을 제공하기만 하면 된다. 상기 마이크로프로세서는 이러한 입력값과 기타 다른 입력값에 기초하여 차량의 적절한 작동특성을 결정하며, 이에 따라 하이브리드 구동트레인의 여러 부품들을 제어한다.
본 발명에 따르면, 하나 또는 2개의 모터를 엔진과는 상이한 회전속도로 작동시키므로, 이들 각각은 그 요구에 따라 최적인 상태로 된다. 특히, 모터는 비교적 고속의 RPM으로 작동될 수만 있다면, 일반적으로 유사하게 제조될 수 있다. 본 발명에서는 최대 9,000 내지 18,000RPM으로 작동되는 모터가 적합하다. 그러나, 이러한 속도에서 내연기관을 작동시키면, 소음과 진동의 바람직하지 못한 레벨에 도달되어, 그 성능특성을 제한하게 된다. 따라서, 예를 들어 시동기모터는 종래에서처럼 대향의 기어형 플라이휘일에 결합되는 피니언을 통해 엔진을 구동시킨다. 마찬가지로, 체인, 벨트, 또는 기어감축유니트를 통해 로드휘일을 구동시키는 비교적 고속유니트로서 주전동모터를 제공하는 것이 바람직하다. 현존의 양호한 실시예에서, 시동기모터는 기본적으로 엔진의 플라이휘일을 형성하고 엔진속도로 회전하는 "면판(faceplate)" 또는 "팬케익" 형태의 모터로서 취하며, 주전동모터는 체인구동 감축유니트(chain drive reduction unit)에 연결된 상당한 고속의 유도모터이다. 상술한 바와 같이, 중간의 기어트레인이나 이와 유사한 기계적 부품이 개재되는 것을 피하고 부가의 비용과 복잡함, 중량, 가청소음, 및 그 사용에 따른 마찰손실등을 피하기 위해, 클러치가 결합되었을 때 엔진과 2개의 모터를 동일한 속도로 구동시키는 것도 본 발명의 범주에 속한다.
그러나, 이 모든 경우에 있어서, 2개의 모터와 엔진의 회전속도는 서로에 대해 그리고 로드휘일의 속도에 대해 고정되어 있으며; 본 발명의 하이브리드 동력트레인에 의해 모터와 엔진과 로드휘일 사이에는 다변속전동부가 필요없게 된다.
본 발명에 따른 또 다른 개선점으로는 2개의 직렬연결된 배터리뱅크와, 이러한 뱅크 사이의 중앙지점에서 배터리에 연결된 차량 새시를 제공한다는 점이다. 이러한 "중앙지점-새시" 연결부는 여러 회로부품과 차량새시 사이의 전압을 거의 절반정도로 감소시키는 동시에, 필요로 하는 전기절연을 상당히 제거하며, 인버터회로에 사용된 구동반도체의 열흡수와 같은 문제들을 간단히 해결한다. 상술한 바와 같이 이중의 배터리뱅크와 이중의 전기모터를 제공하게 되면, 차량의 기능을 손상시키지 않고서도 이러한 부품을 작동정지시킬 수 있다는 이중성을 제공하게 된다.
양호한 실시예에서, 주전동모터와 시동기모터는 4개이상의 상(phase)을 구비한 AC모터이며; 이에 수반되는 동력회로는 3이상, 양호하기로는 5의 전류와 상을 제공하므로, 하나이상의 부품이 작동정지된 후에라도 차량을 작동시킬 수 있게 한다. 이러한 모터와 인버터/충전기 구동부는 '970특허의 도14에 도시된 바와 같이 RPM의 함수로 변화되는 토오크출력특성을 갖도록 선택 및 작동되어야 하며; 즉, 상기 모터는 최대 기본속도까지 거의 일정한 토오크를 생산하여 하며, 고속에서도 거의 일정한 동력을 생산해야 한다. 상기 기본속도와 최대속도의 비율은 약 3:1 내지 6:1 사이에서 변화될 수 있다. 통상적으로 엔진시동모터로 사용되는 직렬권취된 AC 모터는 오직 매우 낮은 속도에서만 상당히 높은 토오크를 제공하며; 그 토오크출력은 고속에서 급격하게 강하한다. 이러한 종래의 시동기모터는 본 발명의 시스템에 사용하기에는 부적절하다.
거의 안정된 상태로 작동중일 때, 예를 들어 고속도로 주행시, 제어시스템은 조작자의 지령에 응답하여 엔진을 가변토오크 출력레벨로 작동시킨다. 허용가능한엔진토오크 출력레벨은 엔진이 양호한 연료효율을 제공하는 범위로 한정된다. 차량의 토오크가 엔진의 최대 유효토오크출력을 초과할 것을 요구할 때, 예를 들어 추월이나 오르막 길 주행시, 부가의 토오크를 제공하기 위해 하나이상의 전기모터가 작동되며; 차량이 엔진에 의해 제공되는 최소 유효토오크출력 보다 작을 것을 요구할 때, 예를 들어 제동시, 과잉의 엔진토오크는 배터리를 충전하는데 사용된다. 재생제동은 엔진으로부터의 토오크와 차량의 운동에너지가 발전기모드에서 하나의 모터 또는 2개의 모터를 구동할 때 동시에 실행된다. 엔진에 의한 토오크출력의 변화율은 배터리의 충전상태에 따라 제어될 수 있다.
차량은 그 순간토오크 요구사항과 배터리의 충전상태와 기타 다른 작동변수에 따라 상이한 모드로 작동된다. 작동모드는 하기에 서술되는 바와 같은 제어전략에 의해 응답하여 마이크로프로세서에 의해 설정되며; 작동모드의 설정에 응답하여 검출된 변수는 최근의 히스토리나 매일매일 반복되는 마이크로프로세서의 실행에 따라 설정되어 히스테리시스를 나타내므로, 작동모드는 그 검출된 변수들중 하나가 설정점 주위로 요동하기 때문에 단순하게 반복하여 절환되지 않는다.
본 발명의 기타 다른 목적과 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조한 하기의 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.
'970특허에 도시된 도면인 도1에 있어서, 곡선(10)은 3,300파운드의 전형적인 세단의 자동변속기에 사용된 스파크점화형 가솔린엔진의 엔진속도(RPM) 대 출력을 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 허용가능한 최대엔진출력은 5,000RPM에서 약 165마력이다. 도1에 도시된 곡선(12)은 이러한 차량에 필요한 평균동력을 의미한다. 곡선(12)상의 점(C, S, H)은 도시와, 교외와, 고속도로 주행시의 평균연료소비를 의미한다. 곡선(12)상의 점(C)은 전형적인 도시주행에 필요한 평균동력이 5마력 이하인 것을 나타내고 있다. 점(C)은 전형적인 도시주행 시에 소요되는 평균동력이 5hp보다 덜하다는 것을 나타낸다. 점(S)은 교외 주행시에 소비되는 평균동력이 10hp인 것을 나타내며, 그리고 점(H)은 정속도 고속도로 주행시에 필요한 동력이 약30hp인 것을 나타낸다. 따라서, 차량은 가속 또는 오르막 길 운행(hillclimbing) 중인 경우를 제외하고 항시 상당히 지나친 동력으로 운행된다.
도1은 또한, 엔진의 상대적인 연료 소비를 나타내는 단속선 곡선으로 나타내었다. 도시된 바와 같이, 엔진의 경제적 연료 소비율 즉, 적어도 약105% 상관 연료소비율(100%가 이상적)은 엔진이 약2,000 내지 4,000RPM 사이에서 동작할 때에 그리고 약75 내지 150hp 사이에 마력을 생성할 시에만 이르게 된다. 따라서, 도1은 전형적인 내연기관이 그 최대 동력출력의 약50% 내지 90% 사이에서 생성될 때에만 경제적 효율성으로 작동된다는 것을 나타낸다. 전형적인 자동차는 극단적인 가속 또는 오르막 길 운행 하에서만 상기와 같은 대체적인 동력을 필요로 한다.
따라서, 상기 도면은 전형적인 엔진이 상당히 짧은 기간 동안에만 효율적으로 작동하는 것을 나타내며; 특정하게는 보다 낮은 출력 동력에서의 마찰로 인한 손실과 엔진의 전체 토오크의 비율이 상당히 큰 펌핑 소비로 인하여, 저 마찰력을 차량 추진에 활용할 수 있는 것을 나타낸다. 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 곡선(12)에 점(H)으로 나타낸 일반적인 고속도로 주행 중에, 상대적 연료 소비는 엔진의 가장 효율적인 작동 중에 소요되는 소비에 190% 정도가 된다. 이러한 상태는, 상대적 연료소비가 최고 효율값이 300%에 가까운 교외 주행시에 그리고 상대적 연료소비가 최고효율로 동작하는데 소요되는 소비의 거의 350%에 이르는 도시주행 시에는 더욱 나빠진다.
따라서, 도1은 적절한 가속과 오르막 길 주행성능에 적합한 충분한 마력을가진 내연기관이, 엔진의 연료소비가 전체적으로 비능률적인 가장 정상적인 주행 중에 만나게 되는 부하(load)와 관련하여 특대형으로 되어야 함을 입증하는 도면이다. 주시되는 바와 같이, 도1은 부가로, 대형차에서 조차도 고속도로에서 경제속도로 주행하는 데에는 약30hp만이 필요하다는 것을 나타내고 있다.
도2(설명을 위해 특허 '970호의 것을 다시 인용)는 도1과 유사한 도면으로서, 4,000RPM에서 약45hp의 최대 마력비율을 가진 소형엔진으로 구동되는 경우에 동일한 3,300파운드 자동차의 작동특성을 나타낸 도면이다. 곡선(14)에 점(H)으로 도시된, 고속도로를 경제속도로 주행하는 중에 차량에서 필요로 하는 동력은, 가장 효율적인 엔진작동의 영역의 중앙에 있다. 그런데, 고속도로를 경제속도로 주행하는데 최적한 소형 엔진을 가지고서도, 엔진작동 동력라인(16)과 평균동력 소요라인(14) 사이에는 대체적으로 틈이 있다. 즉, 이러한 소형 엔진에서도 대체적으로 교외주행(점S)용으로 또는 도시주행(점C)용으로 필요한 것보다 작은 RPM에서 더 큰 동력을 발휘한다. 따라서, 경제속도로 고속도로를 주행하는데 적절한 크기로 이루어진 소형 엔진을 가지더라도, 저속도에서는 대체로 비능률적으로 지속된다. 더우기, 상기 차량의 가속도와 오르막 길 주행 성능은 불안정한 것이다. 따라서, 소형 내연기관으로 대형 내연기관을 대체하는 것은 용이하지 않은 것이다.
종래기술은 내연기관에 의해 충전되는 배터리로부터 움직이는 전기모터의 이점과 가솔린 또는 다른 내연기관의 이점을 합성하면 대체로 유리한 결과가 획득된다는 것을 인식하게 하였다. 그런데, 종래기술은 시장에서 직접적으로 현재의 자동차의 가격과 성능 경쟁면에서 해결점을 제공하는데 실패하였으며; 더우기 차량을상용적으로 성공적이게 하기 위해서는, 현재 차량을 작동하는 것보다 덜 복잡하여야만 한다.
상술된 바와 같이, "직동" 전기자동차, 즉, 주전동모터(electric traction motors)와 매일 사용을 마감하는 시점에서 재충전이 필요한 배터리를 가진 자동차는 종래 자동차를 완전히 대체하도록 재충전하기에 충분한 범위를 가지지 못하였으며 그리고 재충전에 너무나 많은 시간을 소요하는 것이다. 더우기, 상기 차량의 운영비용은 에타놀과 같은 재사용 가능한 자원에서 추출되는 연료로 동작하는 내연기관 차량과는 비교가 되지 않으며 가솔린-연료 자동차와 대비하여서는 더욱 그러하다.
주(主)전동모터에 동력을 부여하는 배터리를 충전하는 발전기를 구동하는 가솔린 엔진을 포함한 제1타입의 시리즈 하이브리드 차량은, 전기모터가 고비용으로 대형용량으로 제작되지 않으면, 가속도 및 오르막 길 주행 성능의 제한을 받는다. 상대적으로 소형인 모터와 휘일 사이에 변속기를 함유하는 교차적 시리즈 하이브리드 접근은, 급가속에 소요되는 토오크를 제공하지만, 다변속기를 제거하여 획득되는 간결성의 이점이 상실된다. 이러한 차량은 내연기관과 전기모터 모두가 적절하게 차륜에 토오크를 제공하는 병렬 하이브리드 시스템에 의해 주어지는 개량을 실현할 수 없다.
그런데, 병렬 하이브리드 차량에 관련한 종래 기술(상기 '970특허와 별개임)은 경제적인 제작을 이루기에 충분한 간결성을 가진 시스템을 개시하지 않고 있다. 종래 기술은 이러한 사실에 더하여, 병렬 하이브리드 차량의 최적한 작동 방법도교시하지 않았다. 또한, 병렬 하이브리드에 관련한 기술(상기 특허 '970호와 별개임)은, 내연기관과 전기모터의 상대적 동력출력; 이용되는 전기모터의 타입; 모터/배터리 시스템의 주파수, 전압, 및 전류특성; 다양한 사용조건하에서 이용되는적절한 제어 전략; 그리고 이들의 조합에 관련하여, 이용되는 적절한 작동 매개변수를 교시하지 않았다.
도1과 도2가 참고한 특허 '970호에 도시되고 상술된 바와 같이. 전형적인 현대의 자동차는, 거의 접하지 않는 상태(동일한 상태가 내연기관에 의해 동력을 받는 다른 차량에서도 어느 정도는 사실임)인 피크 토오크 출력근처에서 작동될 때를 제외하고는 매우 비능률적이라는 기본적인 사실로 인하여, 내연기관이 매우 저효율성으로 작동한다. 특허 '970호의 발명의 주요 면에 의거, 상대적으로 높은 토오크 출력레벨, 일반적으로는 피크 토오크의 35%이고 양호하게는 적어도 50%에서만 내연기관을 작동하여 대체로 향상된 효율이 발휘된다. 차량 작동상태가 대략적으로 상기 규모의 토오크를 필요로 하면, 엔진이 차량을 추진시키는데 사용되고; 토오크가 거의 필요가 없어지면, 배터리 뱅크에 저장된 전기 에너지에 의해 동력을 받는 전기모터가 차량을 구동하며; 엔진 또는 모터에 의해 제공되는것 이상의 동력을 필요로하게 되면, 엔진과 모터 모두가 동시적으로 작동된다. 그 이점이 이하에 기술되는 부가적인 개량과 향상이 이루어진 본 발명의 시스템에 의해 제공된다.
특허 '970호에 일 측면에 의거, 하이브리드 차량의 내연기관은, 양호하게 저장부에 약간의 추가 동력을 경제속도 고속도로 주행용으로 공급하는 크기의 것이어서, 내연기관은 가장 효율적인 작동 범위에서만 작동한다. 전체 작동속도에서 대체로 동일한 효율을 발휘하는 전기모터는, 가속 및 오르막 길 주행시에 소요되는 추가 동력을 공급하는데 사용되고 그리고 교통체증과 같이 특정하게 내연기관이 비능률적인 저속에서 모든 동력을 공급하는데 사용된다.
상술된 바와 같이, 이러한 것은 미국특허 5,343,970호에서 하이브리드 차량의 임의적인 개조, 개량, 개발로 나타내었으며; 동일한 상태에서, 본 발명의 차량 설계는 특허 '970호에 나타낸 것과 유사한 것이다. 상기 적용물과 특허 '970호에 공통적인 번호 표기된 성분은 주시되는 바와 같이 세부적으로는 다르게 이루어진 대응 시스템과 기능적으로 유사한 것이다. 종래 기술에 대한 특허 '970호에 도시된 시스템의 개량은, 본원에 상세한 설명에서 기술되는 부가적인 개량이 이루어진 본 발명의 개량에 의해 제공된다.
특허 '970호의 시스템에서는, 엔진과 모터 양측 또는 어느 일측으로부터의 토오크가 제어가능한 토오크-전달 유니트에 의해 차량의 구동휘일에 전달된다. 이러한 유니트는 또한, 엔진 시동용으로 모터와 엔진 사이로 그리고 차량의 감속 중에는 축열식 배터리 충전동작을 위해 휘일과 모터 사이로의 토오크의 전달도 이행하는 것이다. 이러한 유니트는, 실질적으로는 전체적인, 필연적으로 소리 소음과 마찰 손실원이 되는 동력전달용 기어를 포함한다. 본 발명의 일 면에 따라서, 제어가능한 토오크-전달 유니트가 제거된다. 대신에, 2개 전기모터가 제공되고, 그 각각은 개별적으로 조작자 명령에 응답하는 마이크로프로세서 컨트롤러에 의해 제어되어 운영상태가 감지된다.
이러한 관계에서, "마이크로프로세서"와 "마이크로프로세서 컨트롤러" 용어는 본 명세서 전반에 걸쳐 서로 호환되는 용어로 사용되는 것으로 이해하고, 부가적으로 본원에 사용된 상기 용어는 마이크로프로세서, 디지탈 신호 프로세서, 퍼지 로직 컨트롤러, 아날로그 컴퓨터, 및 그들 조합체가 합체된 자체 컴퓨터와 같은, "마이크로프로세서"로서 항시 참고되는 것이 아닌 다양한 타입의 컴퓨터형 컨트롤 디바이스를 포함하는 것으로 이해한다. 간단히 언급하면, 이하에서 상세하게 설명되는 바로서, 입력 매개변수와 신호를 테스트하여 저장 프로그램에 따르는 차량의 작동 모드로 제어하는 성능의 컨트롤러가, 본원에 사용된 "마이크로프로세서" 또는 "마이크로프로세서 컨트롤러"로 판단한다. 또한, 분리 요소로서 도3과 도4에 도시된 전자식 연료분사기와 전자식 엔진관리 디바이스도, 본원에 기술되는 "마이크로프로세서" 또는 "마이크로프로세서 컨트롤러" 내에 통합되는 것이다.
본원에 도면 도3은 본 발명의 제1실시예를 나타내며, 반면에 후술되는 도4는 임의적으로 선택되는 기구적 장비를 설명하는 제2실시예를 나타내며, 전체적으로 2개 실시예는 매우 유사한 것이며, 기능적으로도 대체로 동일한 것이다. 또한, 후술되는 도11은 부가 실시예를 설명하는 도면이다.
도3의 실시예에서, 주전동모터(traction motor)(25)는 차량 차동기어(32)에 직접 연결되고 그리고 차동기어로부터 로드 휘일(34)에 연결된다. 시동모터(21)는 내연기관(40)에 직접 연결된다. 모터(21, 25)는 모터와 배터리 뱅크(22) 사이에 각각 연결된 대응 인버터/충전기 유니트(23, 27)의 적절한 동작으로 모터 또는 발전기로서의 기능을 한다. 현상태에서, 기본적으로 종래의 납축전지(鉛畜電池)가 폭넓게 활용되고 널리 공지된 것이기에 배터리 뱅크(22)용으로 양호하게 사용된다.그러나, 만일 폭넓게 활용되고 경제적으로 경쟁성이 있는 배터리가 있다면, 그러한 더욱 유리한 배터리를 사용할 수도 있다.
모터(21, 25)는, 개별적으로 모터(21, 25)의 축(15, 16)을 기구적으로 상호 결합시키는 클러치(51)에 제어식으로 연결되어 토오크를 전달한다. 도4와 관련하여 이하에 부가적으로 기술되는 바로서, 축(15, 16)의 회전 속도를 나타내는 신호를 제공하는 마이크로프로세서("μP")(48)는, 축이 클러치(51)와 결합하기 전에와 대체로 동일한 속도로 회전하는 것을 보장할 필요에 의해 엔진(40), 모터(21), 및 모터(25)의 동작을 제어한다. 따라서, 클러치(51)는 필수적으로, 축이 완전하게 결합되기 전에 팽창성의 상대적인 슬립작용을 허용하도록 일반적으로 제공되는 바와 같이, 통상의 자동차 마찰 클러치(도1에서 개략적으로 설명됨)일 필요는 없다. 보다 특정적으로는, 클러치(51)의 슬립작용(slipping)이 종래 차량의 경우에서와 같이 휴지(休止)로부터 개시적으로 차량을 추진할 필요가 없어서, 클러치(51)가 결합될 시에도 팽창성 슬립작용을 허용할 필요가 없다. 일부 경우에서는, 능동적인 기구적 연결이 결합 시에 축(15, 16) 사이에 만들어지는, 간단한 자체-정렬 기구적 인터록(도4에 도시)으로서 클러치(51)를 제공하는 것이 안전할 수 있다. 상기 기구적 인터록은 마찰 클러치에 비해서 상당히 더 심플하고 저렴한 비용이 소요되는 것이다. 어느 일 경우에서, 클러치(51)는 마이크로프로세서(48)에 의해, 예를 들어 조작자 입력 명령과 차량의 운영상태에 따라서, 시스템의 타 성분과 함께 공지된 전기적 또는 유압식 작동기(53)를 통해 동작한다.
클러치(51), 모터(25), 및 휘일(34)의 면에서 모터(21)와 엔진(40)의 각각의위치는, 엔진(40)이 크랭크축의 양단부에서 토오크 전달 연결부를 필요로 하여, 일부 부가적인 복잡성을 초래하더라도, 시스템의 기능에 영향을 미치지 않고 도3과 도4에서의 그들의 위치와 대비하여 역으로 된다.
도4에 도시된 바와 같이, 축 엔코더(18, 19)는 개별적으로 주전동모터(25)와 시동모터(21)의 축(15, 16)에 장착되어, 축의 상대적 회전속도와 그 각각의 회전 위치를 나타내는 마이크로프로세서에 신호를 보낸다. 선택적으로, 축의 회전속도를 나타내는 신호는 "무센서"모터 드라이브(1996년 IEEE에서 발간된, 예를 들어 보스(Bose)의 "파워전자 및 가변 주파수 드라이브"를 참고)의 널리 공지된 제어원리에 따라서 인버터 컨트롤 신호에서 파생된다. 그런데, 엔코더(18, 19)의 설비는 모터(21, 25)의 양호한 저속도 토오크 특성을 허용하여서, 가격을 낮추는 것이다.
따라서, 축(56, 57)의 회전속도를 나타내는 신호가 제공되어서, 마이크로프로세서(48)는 축이 클러치(51) 결합 전에 대체로 동일한 속도로 회전하는 것을 보장하는데 소요되는 엔진(40), 모터(21)와 모터(25)의 동작을 제어하며; 따라서 클러치가 축이 완전하게 결합되기 전에 팽창성 슬립동작을 허용하도록 일반적으로 제공되는 바와 같이 일반적인 차량 마찰 클러치(도3에 개략적으로 설명)일 필요는 없다. 본 발명의 이러한 면에 따라서, 특정하게는 만일 마이크로프로세서가 소정의 상대적 각도 관계를 축(15, 16)이 갖도록 보장할 수 있게 한다면, 클러치(51)가 대신에 간단하게 되고, 상당히 저렴한 비용의 자체-정렬 기구적 인터록(도4에 개략적으로 도시됨)이 되며, 여기서 능동적 기구 접속부는 결합 시에 축(15, 16) 사이에 만들어진다.
도4는 또한 도3과 도4의 실시예 모두에 있는 마이크로프로세서(48)에 제공되는 부가적인 신호를 나타낸다. 이들은 도시된 바와 같이 일반적으로 가속도, 방향성, 감속도, 및 "경제속도 모드"명령과 같은 조작자 입력 명령을 구비한다. 상기 가속도와 감속도 명령은 라인(67, 68)에 의해 마이크로프로세서(48)에 연결되는 위치 감지 엔코더(71, 72)(도3)(가감저항기(rheostats), 홀-효과 센서, 또는 그외 다른 것으로 구조됨)에 의해 제공되어서, 개별적으로 가속도계와 브레이크 페달(69, 70)의 모션에 반응하여 조작자의 명령을 마이크로프로세서에 알린다. 마이크로프로세서는 페달(69, 70)이 가압된 정도와 마찬가지로 운전자가 폐달(69, 70)을 가압하는 비율을 모니터한다. 운전자는 또한, 소정의 경제속도에 이르렀음을 나타내는 "크루스 모드(cruise mode)"신호를 제공할 수도 있다. 마이크로프로세서는 이러한 정보를 사용하고 그리고 다양한 성분에 제공되는 적절한 제어 신호에 의해 본 발명에 따르는 차량의 동작을 적절히 제어하도록 도6 내지 도9와 관련하여 이하에서 기술되는 운영전략에 따라, 본원에서는 상술된 바와 같이 다른 신호를 제공한다.
예를 들면, 차량은 도시 교통체증과 같은 임의적 시간대에서 동작하는데 지원을 받아 즉, 배터리 동력으로만의 동작이 이루어진다. 일반적으로, 운전자는 교통정체 중에 운전을 하는데에는 가속 페달(69)을 부드럽게 가압할 뿐이다. 만일, 운전자가 예를 들어 이전에 잠시동안 가속을 하였던 것보다 현격하게 더 가속 페달(69)을 가압하였다면, 엔진(40)에 의해 능률적으로 제공된 토오크의 량이 짧게 소요될 것이라는 표시를 나타내어; 다음, 마이크로프로세서가 시동모터(21)가 엔진(40)을 시동하는데 사용되는 시켄스를 개시하게 된다.
엔진시동 시켄스의 개시 시에, 히터(63)(도3)가 먼저 사용되어 엔진 배기시스템(62)에 제공된 촉매변환장치를 예열하여서, 엔진(40)을 운전하는 시동 및 서브시켄스 중에 연소되지 않은 일부 연료가 촉매작용적으로 연소되어 바람직하지 않은 오염물질의 배기를 감소시킨다. 온도 센서(102)는, 촉매재가 유효한 작업온도로 가열될 때까지 엔진의 시동이 개시되지 않도록 보장하기 위해 양호하게 제공된다. 상기 주시되는 바와 같이, 엔진 시동동작은 종래의 엔진 시동에 비해 더 빠른 속도로 엔진 전환동작이 양호하게 이행되어서, 연료/공기 비가 이론량(stoichometric)보다 약간 더(예를 들면, 20%) 풍부하게 할 필요만이 있다. 그러한 결과로, 상당히 한정된 량의 오염물질만이 엔진시동 중에 방출된다. 대비적으로, 종래 차량에서는, 임의적으로 주어진 운행 중에 배출되는 총 오염물질 중의 극소량만이, 시동 동작 중에 정상적으로 공급되는 지나치게 풍부한 혼합과 소진될 때까지 가열되어지는 비효율적인 촉매로 인하여, 처음 30-60초의 동작 중에 배출된다.
만일, 운전자가 완전 가속이 바로 필요하다는 지시로 페달(69)을 거칠게 가압한다면, 예열 단계를 생략할 것이며; 양호한 선택으로는, 촉매가 데워지고 엔진이 시동되기에 충분한 짧은 시간동안, 적절한 토오크를 제공하는 정도의 동력으로 또는 그보다 약간 이상으로 주전동모터와 시동모터가 구동되게 한다.
유사하게, 만일 운전자가 상당히 완만하게 브레이크 페달(70)을 가압하면, 모든 제동동작이 배터리의 축열식 충전동작으로 제공될 수 있으며; 만일 운전자가 이와는 다르게 브레이크 페달(70)을 거칠게 가압하고 그리고/또는 선결(先決) 지점 넘어로 브레이크 페달(70)을 가압한다면, 기구적 및 축열식 제동동작 모두가 제공된다. 또한, 기구적 제동동작은 배터리의 완전충전 시에 장거리 내리막 길에서 그리고 비상사태인 경우에 제공된다.
상술된 바와 같은 축 엔코더(18, 19)에 의해 모니터되는 엔진 및 시동모터 속도와 주전동모터 속도에 더하여, 배터리 충전 레벨과 주위 온도도 모니터 변수로부터 직접 또는 파생되어 모니터 된다. 상기 입력값과 조작자 입력값에 응답하여, 마이크로프로세서 컨트롤러(48)가 컨트롤 프로그램(도9에 제공된 일 예의 컨트롤 프로그램의 하이-레벨 흐름도를 참고)을 작동하고 그리고, 그 EFI(electronic fuel injection unit)(56)과 EEM(electronic engine management system)(55)에 그리고 시동 모터(21), 클러치(51), 주전동모터(25), 인버터/충전기 유니트(23, 27), 및 그외 다른 성분에 제공되는 명령으로 엔진(40)에 출력 컨트롤 신호를 제공한다.
도4에 나타낸 바와 같이, 마이크로프로세서(48)에 의해 인버터/충전기(23, 27)에 제공되는 컨트롤 신호는, 모터 또는 발전기 모드에 모터(21, 25)의 동작을 제어하는 것과 마찬가지로, 절환 빈도수(f로 나타냄)와, 차량의 후진동작을 허용하는 모터의 회전방향(+/-로 나타냄)의 전류(I로 나타냄)의 제어를 인가한다. 인버터/충전기(23, 27)는 분리적으로 제어되어, 모터(21, 25)가 독립 작동할 수 있다. 인버터/충전기 동작에 대해서는 도5와 관련하여 이하에 부가로 설명된다.
상기 주시된 바로서, 도3과 도4의 본 발명의 시스템의 실시예는 기구적 배열면에서 차이가 있는 것으로 본 발명의 범위 내에서 이루어진 변경을 설명하는 것이고, 그리고 도4는 또한 시스템의 다양한 요소 사이를 지나가는 특정한 컨트롤 신호에 관한 것을 보다 상세하게 나타낸 도면이다.
개별적인 기구적 배열에 대한 설명은, 도3에서, 모터(21, 25)의 축이 엔진(40)의 축과 동축선이고; 이러한 사실은 상당히 심플한 배열을 이루지만 물론, 클러치(51)의 결합 시에 주전동모터(25)와 동일한 속도로 그리고 모든 시간에서 동일한 속도로 엔진(40)과 시동모터(21)가 회전하여야 한다. 상기 주시된 바로서, 양호하게 모터(21, 25)가 최대속도 9000-15,000rpm을 가지도록 설계하면, 모터는 서행 회전모터에 비해 보다 작고, 경량으로, 저렴한 비용으로 제작된다. 그런데, 엔진(40)에 양호한 최대 속도는, 대체로 고속도에서 운전하는 내연기관이 급하게 마모되고 그리고 저속도에서는 제한된 토오크를 가지는 성질이 있으므로, 6000rpm이고 그리고, 보다 높은 빈도수는 엔진소음과 진동이 흡수되기도 곤란하다는 점을고려한다. 본 발명의 범위 내에서, 도3에 도시된 바와 같이 엔진 축과 공축으로 모터를 제공하지만, 다른 엔진과 모터 속도를 허용하도록 출력 축과 시동 모터(21)와 주전동모터(25)의 어느 하나 또는 양쪽의 축 사이에 위성 기어세트를 제공한다.
도4는 다른 엔진과 모터 속도도 허용하는 다른 구조를 설명하는 도면이다. 이러한 경우에, 시동모터(21)의 출력축은 스퍼 기어(52)에 의해 엔진(40)의 출력축에 연결되고, 그리고 주전동모터(25)는 체인 구동부(54)에의해 출력축(55)에 연결된다. 다양한 다른 배열이 당 분야의 기술인에 의해서 이루어질 수 있을 것이다. 그러나 각 경우에서, 토오크의 소우스-즉, 모터(21, 25)와 엔진(40)- 그리고 로드 휘일(34) 사이에 변속전동기는 없다.
또한, 본 발명의 번위 내에서, 주전동모터를 일 세트의 휘일에 연결하고 그리고 엔진(40)과 시동모터(21)의 조합체를 클러치(51)를 통해 다른 세트의 휘일에연결하여, 4륜 구동 차량에 선택적 휘일쌍용으로 개별적인 동력원을 제공한다. 이러한 실시예에서는, 주전동모터(25)로부터의 토오크가, 도3과 도4의 실시예에서와 같이 기구적 연결에 의한 것보다, 도로면에 의한 엔진(40)으로부터의(그리고 추진 토오크의 소오스로서 사용될 때에 시동모터(21)로부터의) 연결과 효율적으로 합체된다. 부가적인 선택사항으로는, 일 쌍의 로드 휘일을 구동하는 도3에 도시된 완전 시스템과 제2쌍의 로드 휘일을 구동하는 분할 주전동모터를 제공하는 것이 있다. 양쪽 실시예가 본 발명의 범위내에 있으며, 제어 전략은 기본적으로 양쪽이 동일한 것이다.
도3과 도4에 도시된 바와 같은 시스템의 다른 요소는 일반적으로 탱크(38)로부터의 연료(36)의 공급부, 공기 필터(60), 및 트로틀(61)을 구비하는 특허 '970호에 기술된 것이다.
마이크로프로세서(48)에 의한 엔진(40)의 제어는, EFI유니트(56)과 EEM유니트(55)에 제공된 신호를 제어하는 방식으로 달성된다. 즉, 마이크로프로세서(48)에 의한, 엔진(40)의 시동과, 추진 토오크를 제공하는 모터로서의 또는 배터리 뱅크(22)에 재충전 전류를 제공하는 발전기로서의 시동모터(21)와 주전동모터(25)의 어느 하나 또는 양쪽의 사용의 제어가, 인버터/충전기 유니트(23, 27)에 제공되는 컨트롤 신호에 의해 달성된다.
감속도 하에서는, 예를 들어 하강 중에 또는 제동동작이 소요되는 경우에, 또는 엔진의 순간 토오크 출력이 차량의 현재 토오크 소요를 초과할 때에는, 모터(21, 25)의 어느 하나 또는 양쪽이 배터리 뱅크(22)의 축열식 재충전동작을 제공하여 발전기로서 동작한다. 후술되는 도7에서는 본 발명의 차량의 동작의 상기 면에 관해 보다 상세하게 설명한다.
따라서, 상기 주시된 바로서, 마이크로프로세서(48)가 저속도에서 고속도로의 주행으로 변환되는 과정과 같이 지속적인 운전 중에 추가적인 동력을 필요로 하거나 또는 운전자가 가속도 페달(69)을 가압하는 비율을 측정하여 추가적인 동력을 필요로 한다는 것을 탐지하면, 엔진(40)은 시동모터(21)의 사용을 개시하여 완만한 변환이 이루어지도록 클러치(51)가 결합되기 전에 속도에 이를 때까지 그 사용을 지속한다. 순항속도에 이르면(운전자의 명령을 모니터링하여 판단), 주전동모터(25)에 대한(그리고 만일 차량이 가속으로도 사용되면, 시동모터(21)에 대한) 동력은 점진적으로 감소된다. 특허 '970호에서와 같이, 동시적인 차량의 가속 동작 중에 시동모터(40)에 대한 단일 주전동모터의 사용과 대비하여, 분할 시동모터(21)와 클러치(51)의 설치는, 어느 정도 제어 배열을 간략하게 한다.
양호한 실시예에서는, 모터(21)와 클러치(51) 모두를 냉각용 오일과 먼지 같은 이물질에 대한 보호가 일괄적으로 이루어지는 단일 밀봉 하우징에 제공할 수 있다. 또한, 종래 시동모터와 같은 보조모터를 제어하여 상관 내연기관에 의해 제공된 것에 대한 토오크를 흡수 또는 첨가하여 엔진에 의해 주어진 토오크의 변동으로 발생되는 진동을 감쇠하는 것이 알려져 있으며; 본원에서 모터(21, 25)의 어느 하나 또는 양쪽을 사용하는 것은 본 발명의 범위 내에 있는 것이며, 그리고 본 발명에 의거 모터(21, 25)를 통한 구동휘일로의 엔진(40)의 직접 연결로 인해서 간략하게 된다.
또한, 클러치(51)와 분리 시동모터(21)의 설치는 본 발명에 따라 제공되는 다른 주요한 개량이 이루어지게 한다. 즉, 종래 제공된 60-200rpm 시동과 대비하여, 예를 들면, 약300rpm의 고속도에서 엔진(40)을 시동한다. 당 기술분야에서 일반적으로 알려진 바로서("Road & Track"의 1998년 11월호, 201쪽에 기재된, Simanaitis의 "What goes around comes around"를 참고), 하이-rpm 시동은 대체로, 엔진(40)을 시동하는데 연료-농후 공기/연료 혼합물을 제공하는 일반적인 필요성을 없애며, 불완전 연소된 연료의 배출을 저하하며, 그리고 스타트-업 시에, 특히 추운 날씨에서 연료 경제성을 향상시킨다.
보다 특정적으로, 종래 로우-rpm 시동에서는, 이론연료량이 6 내지 7배 정도에 이를 때까지 함유되는 농후한 혼합이, 연료의 일부가 기상(氣相)에 연료만이 스파크에 의해 가연성으로 될 수 있는 기상이도록 보장되게 제공된다. 대부분의 초과 연료는 차가운 실린더 벽에서 액체로 응축되어, 적어도 효율적으로 연소가 되지 않게 하며, 바로 불완전 연소로 되어 배출된다. 대비하여, 본 발명에 따르는 하이 시동 속도에서, 연소실에 난류는 증기의 존재를 보장하기에 충분하여서, 일반적으로 이론연료량의 1.2배만을 함유하는 근처-이론적 혼합이 시동 페이스 중에 엔진(40)에 제공된다. 시동 시에 농후한 혼합을 피하는 것은 불연소 연료의 배출을 감소하여 -시동 시에 종래 엔진에 제공되는 대부분의 연료는 불연소된 상태로 바로 배출됨으로- 연료 효율성이 어느 정도 향상되도록 한다.
또한, 상기 주시된 바로서, 엔진이 운전자에 의해 즉각적인 연료 토오크가 요구될 때를 제외하고 시동될 때마다, 촉매 컨버터(64)는 극소량의 불연소 연료의배출까지도 방지하기 위해 엔진 시동 전에 적어도 약350℃의 유효한 작업온도까지 예열된다.
따라서, 시동모터(21)의 토오크를 선택하는데 주요하게 고려해야 할 사항은, 시동용으로 약300rpm으로 엔진(40)을 회전시키는 능력과, 발전기로서 동작될 시에 엔진의 최대 토오크 출력의 적어도 약30%를 수용하는 능력으로, 엔진이 저속운영을 지속하는 중에 배터리 뱅크를 충전할 시에 효율적으로 이용될 수 있게 하는 것이며; 엔진(40)의 토오크에서의 주 고려 내용은, 고효율로 동작되는 중에, 순항 주행하는 고속도로용으로 충분한 동력 예를 들면, 그 최대 동력출력이 소정의 순항 속도 범위에서 순항 주행하기에 충분한 동력을 제공하며; 그리고 주전동모터(25)의 소요 동력을 한정하는데 고려해야 할 주요 사항은, 엔진(40)과 시동모터(21)를 조합하여 적절한 가속도를 제공하기에 동력이 충분한가 이다. 다른 상태에서는, 상기 모든 토오크-생성 성분에 의해 제공되는 활용 가능한 전체 동력은, 양쪽이 휘일에서 측정되며 유사한 성질을 사용하는 종래 차량의 내연기관에 의해 제공되는 피크 동력과 적어도 동일하여야 하고, 양호하게는 피크 동력을 초과하여야 한다. 또한, 특허 '970호에 전반부에 설정된 바와 같이, 모터(21, 25)에의해 제공되는 전체 토오크는, 모터 만으로 적절한 저속도 성능을 제공하도록, 변속변환의 필요성 없이, 엔진(40)에의해 생성되는 토오크와 적어도 동일하여야 한다.
동시에, 모터(21, 25)는 또한 축열식 제동모드에서 발전기로서 동작될 시에 차량의 운동에너지의 거의 모두를 재커버할 수 있는 크기로 된다. 차량의 운동 에너지의 특정한 하이 부분이 저속도 운영 중에 재커버되며; 고속도 운영과 대비하여서는, 도로 마찰과 공기 저항은 소요되는 전체 에너지의 상대적으로 큰 부분을 소비하는 장소에서, 저속도 운영에서는, 종래 차량에서 대부분의 에너지가 제동 동작 중에 방출되는 열로서 손실되는 것이다.
상기 고려사항을, 미국제 "중간-사이즈"세단의 것과 거의 동일한 성능을 지닌 3000파운드 차량의 주전동모터(25)와 시동모터(21)와 엔진(40)용의 전형적인 동력 스펙에 제공하였다. 상기 스펙에서 기준은 당분야의 종래 기술에서 일반적으로 있는 모터에 대한 피크 동력으로 만든 것이 아니고, 엔진에 의해 연속적으로 생성되는 대비 동력으로 만들었음을 이해하여야 한다. 더우기, 모터는 도3의 직동 구동 실시예를 가정하고 지정한 것이고; 만일 모터가 보다 높은 고속도로 운전되면, 그 비율은 그에 따라서 정해지게 되는 것이다.
엔진(40): 6000rpm에서 40 내지 50hp
시동모터(21): 약1500rpm과 고속도에서 10-15hp
주전동모터(25): 1500 내지 6000rpm에서 50-75hp
동일한 시동모터가 더 큰 4000파운드 세단용으로 안정적이지만, 엔진은 600rpm에서 70-90hp 그리고 주전동모터는 75-100hp를 일반적으로 제공하여야 한다.
양쪽 경우에서, 전기모터로부터 함께 이용가능한 전체 동력은 엔진으로부터 이용가능한 최대 동력과 동일하거나, 양호하게는 초과하여야 한다.
복잡하고, 중량이며, 그리고 고가로 변속전동부를 요구하지 않는 주시된 바와 같은 본 발명의 하이브리드 차량은, 상기 성분이 대체로 저하된 오염물질의 배기와 양호한 연료 경제성과 함께, 미국제의 전형적인 유사한 크기의 자동차의 것보다 상당히 우수한 가속도를 제공한다. 상기 스펙은 본 발명의 차량의 사용경향에 따라서 상당히 광범위하게 변경될 수 있으며, 본 발명의 범위를 한정하도록 구조되지 않는 것이다.
상기 지시된 바와 같이, 양호한 실시예에서는, 시동모터와 주전동모터 모두가, 다른 타입이 또한 이용될 수 있을 지라도, AC유도 모터이다. 마이크로프로세서(부가적으로 후술됨)로부터의 제어 신호에 응답하여 이들을 제어하는 인버터/충전기 및 상기 모터는, 모터가 도10에 곡선(A)으로 나타낸 바와 같이 rpm의 함수로서 변경되는 토오크 출력특성을 가지도록 선택 동작하여야 한다. 즉, 모터는 마이크로프로세서로부터의 제어신호에 응답하는 인버터/충전기에 의해 작동되어서, 도3의 직동-드라이브 실시예에서 이용되는, 6000rpm의 정상속도를 가진 모터용으로 일반적으로 1500rpm인 기본속도(C)에 이를 때까지 일정한 토오크를 생성하여, 고속도로 일정한 동력을 생성하며; 따라서 토오크는 도시된 바와 같이 기본속도(C) 이상에 속도로 강하된다. 이러한 예에서 기본속도 대 최대속도의 비 4:1은 약 3 대 1 과 약 6 대 1 사이에서 변경된다. 이러한 토오크 출력 특성은 기본적으로, 중량, 복잡성 및 변속전동부의 비용을 소요하지 않고 실질적으로 수용 가능한 성능, 특정하게는 가속도를 본 발명의 차량이 제공하게 하는 것이다.
대비하여, 자동차 엔진 시동모터로서 종래에 사용되는 시리즈 권취 DC모터는 매우 높은 토오크를 제공하지만, 오직 저속도에서만 그러하고; 상기 토오크 출력은 고속에서는 급하게 강하된다. 상기 종래의 시동 모터는 본 시스템에는 불안정한 것이다.
도10은 또한 'B'에서 일반적인 내연기관의 토오크 곡선을 나타내며; 주시된 바와 같이, 토오크는 클러치 인가 슬립성을 요구하여 엔진이 휴지로부터 차량을 작동시키도록 제로rpm에서 제로인 것이다. 도10은 저속도에서 부가 토오크를 제공하는데 사용되는, 4-속도전이를 통하여 차량을 구동하는 일반적인 내연기관에 의해 추진되는 차량의 휘일에서 측정되는 토오크의 일반적인 곡선(D)을 나타낸 도면이고; 곡선(D)의 섹션 사이에 수직 공간은 기어비에 변화를 나타낸다. 즉, 차량은 곡선(D)의 섹션 사이에서 동작하도록 이동된다. 상술된 바와 같이 시동모터와 주전동모터의 소정 토오크의 특성은 변속전동부의 필요가 없으면서, 종래 차량과 대비될 수 있는 또는 그보다 우수한 저속도 성능을 본 발명의 차량이 제공할 수 있는 것이다.
따라서 상술된 바와 같이 모터의 최대속도와 기초속도와의 사이에 비율은 종래 변속기의 최저와 최고 기어 사이에 비율과 대비 가능하며; 승용차용으로는, 종래 변속기의 비율이 일반적으로 3과 4 대 1이어서, 엔진의 토오크가 도로주행 속도의 합리적 범위 이상에 도로부하(road load)와 상대적으로 양호하게 대응한다.("과잉 구동(overdrive)" 탑 기어가 고속도로 주행 중에 엔진속도를 저하하도록 때때로 제공되여 어느 정도 상기 범위를 확대시키지만, 일반적으로 적절한 가속도를 허용하지는 않음) 물론, 만일 광범위한 속도를 필요로 하는 차량(예를 들면, 광범위한 도로 주행속도에서 엔진의 최대 토오크가 이용가능한 18 또는 그 이상의 기어비율 사이에서 운전자가 선택을 할 수 있는 멀티풀 기어박스를 가질 수 있는 중량 트럭)에 본발명의 제어전략과 하이브리드 차량 동력 트레인을 이용하기를 희망한다면,변속전동부를 제공하는 것도 첨부 청구범위에 의해 제외되지 않은 것은 본 발명의 범위 내에 있는 것이다. 그런데, 이러한 사실이 승용차, 경트럭, 및 유사 차량과 관련하여서는 필수적이지는 않은 것이다.
상술된 바와 같이, 기어작용이 2개 요소의 결합을 필요로 하지 않도록, 동일한 최대 속도로 내연기관(40)과 모터(21, 25)를 동작하는 것이 본 발명의 범위 내에 있는 것이지만, 양호하게, 적어도 주전동모터(25)가 내연기관(40)의 속도보다 대체로 더 높은 최대 속도를 가지며; 모터(25)의 출력축은 도4에 나타낸 바와 같이 체인-구동 감축 유니트에 의해 로드 휘일에 연결된다. 내연기관의 최대 속도는 양호하게 보다 높은 동작속도로 증가하는 마모, 소음, 및 진동을 제한하도록 그리고, 보다 높은 rpm동작 성능에 엔진이 대체로 토오크를 생성하는 범위 내에서 협폭 범위의 rpm을 가지기 때문에, 6000rpm 정도로 한정되며; 상기 특성은 변속전동부를 가지지 않은 차량에서는 바람직하지 않은 것이며 그리고 본 발명에 따르는 내연기관에 의해 단독적으로 동력을 받아 적당한 속도로 주행하는 성질이 있는 것이다.
대비하여, 9000-18,000rpm의 최대속도로 모터(21, 25)가 동작하는 것은 보다 소형이고, 경량이며, 그리고 저비용으로 이들을 제조할 수 있게 하며; 이러한 이점은 체인, 기어, 또는 벨트 구동부의 복잡도가 더해지는 것을 해결하거나 또는, 엔진으로부터의 토오크와 모터로부터의 토오크의 합체를 허용하는 다른 기구적 수단이 차량의 일 모델로부터 다음 모델로 변경할 수 있는 기술인의 선택문제가 있는지에 있다. 따라서, 양쪽이 모두 본 발명의 범위 내에 있다. 만일 각각의 토오크 생성 성분(즉, 엔진(40)과 시동 및 주전동모터(21, 25))이 동일한 속도로 동작되면, 대략 6000rpm의 최대속도가 주 성분인 비용, 중량, 그리고 크기 사이에서 우수한 결과를 나타내어 양호하다.
상술된 바와 같이, 모터(21, 25)는 2개 전극 이상을 가지고, 3상(phase) 이상이 적용되는 전류에 의해 동작되어서, -후술되는, 인버터/충전기 유니트에 사용되는 동력 반도체와 같은- 일부 성분의 고장이 차량의 전체적 고장을 일으키지 않고 양호하게 허용된다. 또한, 배터리 뱅크는 바람직하게, 주어진 성분과 차량 새시사이에 전압을 반으로 하여, 그 구조, 절연, 및 접속이 간략하게 하며, 그 사이에 접속된 차량 새시가 있는 상태로, 2개로 분리된다. 도5는 상술된 상태를 제공하는 회로를 부분적으로 개략도시한 다이어그램이다.
인버터/충전기(23, 27)의 기능(분리 인버터/충전기는 모터(21, 25)의 독립된 동작이 필요함)은, 발전기로서 또는 모터로서 동작하도록 모터(21, 25)를 제어하고; 차량을 후진시키기 위해 반대방향으로 주전동모터(25)가 동작하고; 모터 동작을 위해 AC로 배터리 뱅크에 의해 저장된 DC를 전환하고; 그리고 배터리 충전을 위해 DC로 발전기로서 동작할 때에 모터에 도입되는 AC를 전환하는 기능을 포함한다. 기본적으로 유사한 기능이 특허 '970호에 솔리드-상태 절환 AC/DC컨버터(44)로 제공되었으며; 여기서 특정하게 대비되는 것이 곳에는, 상술된 기술이 도5에 도시된 인버터 설계에 적용 가능한 것이다.
도5에 도시된 바와 같이, 주전동모터(25)는 5상 AC유도 모터로서 실시되고; 도시된 바와 같이, 완전하게 나타내지 않은 시동모터(21)는 필수적이지는 않지만 일반적으로 유사한 것이다. 영구자석 브러시리스(brushless) DC모터 또는 싱크로스(synchronous) 모터와 같은 다른 타입의 모터도 이용될 수 있다. 모터는 3상 이상의 상을 가지는 다상(multiphase) 디바이스로서 동작하며, 보다 소형이고 전체적인 비용이 저렴한 반도체를 이용할 수 있으며, 그리고 일부 반도체의 고장 시에도 동작이 이루어지는 것이다. 상당히 높은 고주파수, 예를 들면 60Hz이상에서 동작하는 모터의 사용은, 또한 주어진 동력 출력의 모터가 더욱 소형이도록 한다. 도5에 도시된 바와 같이 양호하게, 적어도 주전동모터(25)는 공지된 "델타"배열보다 양호한 도시된 바와 같은 "삼상Y자형" 배열로 배선되고; 임의적으로 불필요한 조화는 "삼상Y자형"배열로 감소되는 것으로 알려져 있다. 양배열은 당 기술분야에서 공지된 내용이며, 본 발명의 범위 내에 있는 것이다.
도5에서 설명되는 바와 같이, 모터(25)의 각각의 권선(78)은 인버터/충전기(27)를 수집적으로 이루는 1쌍의 반도체 절환소자(80)에 접속된다. 인버터/충전기(27)는 마이크로프로세서(48)로부터 수신되는(도3 및 도4) 주파수, 극성, 및 전류신호에 반응하는 펄스 발생기(88)에 의해 제공되는 절환 신호(A 내지 J)에 의해 제어되는 1세트의 10동력반도체로서 대응적으로 구조된다. 전형적인 동작 주파수는 200, 400 또는 600Hz이고; 배터리 뱅크(22)와 모터(21, 25)간에 동력전달은 펄스폭 변조, 즉 소요되는 동력에 따라 변화하는 전도부의 지속기간인 동력파형의 부분 중에 전도로 반도체(80)를 제어하여 제어된다. 반도체(80)는 상당히 높은 고전압과 전류를 다루는데 적절한 임의 타입의 것이며; 안정적인 IGBTs(insulated-gate bipolar transistors)를 일반적으로 활용할 수 있으며 실질적으로 양호한 것이다. 일반적으로, 각각의 반도체(80)는 프리휠(freewheeling)정류 다이오드(82)와 병렬로 설치된다.
인버터/충전기가 상기 나열된 기능을 이행하도록 적절한 제어신호(A 내지 T)를 제공하는 펄스 발생기(33)의 설계와 인버터/충전기(23, 27)의 설계는 당 기술분야에 기술인에게는 공지된 사실이고; 그 예로는 보스(Bose)의 1996년, IEEE의 "Power Electronics and Variable Frequency Drives"에 기재되어 있다.
차량을 추진하도록 주전동모터와 시동모터가 장시간 동작하는 중에 배터리 뱅크(22)로부터 끌어낸 전류는 상기 특허 '970호에 기재된 바와 같이 소요되는 컨덕터와 다른 성분의 크기가 감소되도록 30-50암페어로 제한되어야 하고; 상기 성분은, 이러한 조건이 10-15초 이상을 지속하지 않을 것이며, 완전 동력가속 중에 만날 수 있는 200암페어에 이르는 전류를 전달하기에 충분한 것이다.
나타낸 바와 같이, 배터리 뱅크(22)는 2개의 대체로 유사한 배터리 조립체(84)를 포함하며; 일 실시예에서, 각각의 배터리 조립체는 8개 48-볼트 배터리를 포함하여, 384볼트가 각각에 의해 제공된다. 배터리 조립체(84)는 일렬로 접속되어, 768볼트가 회로 "레일(rails)"(86, 88)을 가로질러 제공된다. 그런데, 차량 새시 접속이 일련-접속된 배터리 조립체 사이에서 취해져서, 오직 384볼트만이 주어진 회로성분과 차량 새시 사이에 주어지며; 이러한 "중앙지점 새시"연결부는 다양한 절연과 열-싱킹 소요(insulation and heat-sinking requirements)를 현격하게 저하시킨다. 보다 특정적으로, 컨덕터, 커넥터, 릴레이, 스위치 및 그와 같은 요소는 600볼트 서비스용으로 NEMA(National Electrical Manufacturers' Association)에서 승인된 것이며; 상기 요소는 폭넓게 활용 가능한 것으로서, 상당히 더 용이하게 이용되고, 예를 들어 300볼트와 300암페어에서 연속적으로 전류를 전달하는데 소요되는 것보다 비용이 훨씬 저렴하게 소요된다.
양호하게, 일 배터리 조립체(84)의 부분을 상세하게 설명하는 도5a에 나타낸 바와 같이, 볼트 배터리(85)는 정상-개방 릴레이(87)에 의해 접속되어, 배터리(85)가 고장-안전 상태하에서 서로 격리되고; 예를 들어, 만일 차량이 사고에 연루되면, 차량에 임의 장소에 최대 개방전압이 화재의 위험을 저하시키는 48볼트로 있도록, 릴레이로의 동력이 차단 된다. 유사하게, 차량의 "점화장치"가 운전자에 의해 차단되면 릴레이가 개방한다.
본 발명의 하이브리드 차량은: 특허 '970호에 도시된 하이브리드 차량 시스템의 경우로서, 그리고 이하에 부가적으로 상세하게 설명되는 바에 따르는 본 발명의 제어전략의 상세한 설명으로, 본 발명의 차량은 소요되는 토오크와, 배터리의 변화 상태, 그리고 다른 변수에 따르는 다른 모드로 동작하는 것이다. 다음과 같이, 상기 모드간에 상관관계는 다수의 다른 기술을 사용하는 설명으로 차량 제어전략의 다양한 면이 완전하게 이해될 것이며; 그 일부는 다른 것과는 달리 예시된 일 형태로 보다 명확하게 나타내었다.
도6은 시간과, 배터리 뱅크(22)의 충전상태와 차량의 순간성 토오크 소요 또는 "도로부하"간에 상관관계의 면에서 차량 동작의 다수 모드를 설명하는 도면이며, 반면에 도7은 전형적인 여행(trip) 중에, 시간초과 배터리 뱅크의 충전 상태,와 도로부하와, 엔진 토오크 출력과의 사이에 상관관계와, 그 변화를 나타낸 도면이다. 도8a 내지 도8b는 대시(dash)선에 의한 토오크의 흐름과 점선에의한 전기적또는 연소성 연료의 형태에 에너지의 흐름을 나타내는 동작이 기본 모드로 있는 본 발명의 차량을 간략하게 개략적으로 나타낸 다이어그램이다. 끝으로, 도9는 마이크로프로세서가 본 발명에 따르는 하이브리드 차량 구동트레인(draintrain)의 다양한 성분을 동작하는데 따르는 알고리즘에 기본 판단점을 나타내는 하이-레벨 흐름도를 제공하며, 그리고 도9a 내지 도9c는 그 변경예를 상세하게 나타낸 도면이다.
주시된 바와 같이, 본 발명의 양호한 제어전략이 도6 내지 도9에 의해 다양한 다른 방식으로 설명된다. 다양한 중요 제어변수, 데이타 아이템, 그리고 그와 같은 것에 용으로 동일한 스펙 번호 예가 설명의 명료함을 위해 전체적으로 사용된다. 이러한 예는 정상적으로 한정하여 나타내었으며; 설명을 간략하게 하기 위해 그 한정이 동반되어 사용되지 않았을 지라도, 상기 숫자에 예(numerical examples)는 단지 예로서만 있는 것이며, 그리고 본 발명은 본원에 언급된 제어 변수의 정확한 값으로 제한되지 않는 것임을 이해하여야 한다.
부가로, 이러한 임의적인 제어 변수는 특정 숫자로 제한되지 않는 것이다. 즉, 일부 경우에서는, 판단 포인트가 '퍼지(fuzzy)"로 될 것이며, 그 예를 들면 소위 "퍼지 논리"가 이용되어, 작동 체계가 그 전체 특성을 포함하면서, 제어 변수와 데이타 아이템이 본 발명에 따르는 제어 전략의 수단으로 테스트 받는데에 대한 특정 값은 시간에 따라 변화하는 것이다. 이러한 실시예는 -상세하게 기술되지 않은 다른 아이템에 따라서 또는 시간을 초과하는 차량의 실질 사용 패턴의 모니터링에 의해서, 임의적 특정 값을 부분 수정하는 많은 부수적인 상황에서의 합계- 이하에 주어진다.
본 발명의 차량의 다양한 동작 모드간에 관계에 대한 다수의 다른 설명과, 마이크로프로세서의 모드 선택에 제어에 대한 조건의 조합에 대한 특정적인 다른 설명은 당 분야의 통상의 기술인이 본 발명을 이행하는데 곤란함이 없는 것이다.
주시된 바와 같이, 도시에 교통정체 시에와 같은 저속주행 중에는, 차량은, 모든 토오크가 배터리 뱅크(22)로부터 공급되는 전기 에너지로 동작하는 주전동모터(25)에 의한 로드 휘일(34)에 제공되는, 간단한 전기 자동차로서 운전된다. 이러한 상태를 "모드I"동작(도6)으로 언급되며, 도8a에서 설명된다. 에너지와 토오크의 동일한 통로도 후술되는 모드III동작으로 언급되는 비상사태에서 이용된다.
저속 운전 중에는, 예를 들어 차량의 토오크 소요("로드 하중" 또는 "RL")가 엔진 최대 토오크 출력("MTO")의 30% 미만일 때에, 엔진(40)은 배터리 뱅크(22)를 충전하는데 소요되는 것만으로 운전한다. 시동모터(21)는 먼저 엔진(40)을 시동하는데 사용되고, 다음 적절한 인버터/충전기(23)에 의한 발전기로서 동작하여, 배터리 뱅크(22)로 충전 전류를 보낸다. 따라서, 클러치(51)가 결합해제되어서, 차량의 도로주행 속도가 엔진(40)의 속도와 무관하고; 따라서 엔진(40)이 효율적인 연료용으로 상당히 높은 고출력 토오크 레벨로 동작된다. 이러한 "모드II"동작은 도8b에서 설명되며; 나타낸 바와 같이, 클러치(51)가 결합해제되어서, 시동모터(21)를 통한 배터리 뱅크(22)를 충전하는 엔진 동작과 주전동모터(25)에 의한 차량의 추진력이 서로 완전히 독립적으로 이루어진다.
특허 '970호에 기재된 바와 같이, 엔진(40)은 그 최대 토오크가 바람직한 순항 속도의 범위에서 차량을 구동하기에 충분한 크기의 것이고; 이러한 필요조건은엔진이 정상 고속도로 순항주행 중에 고효율로 동작되도록 한다. 따라서, 도로부하(예를 들면, 연속 운전자에의해 보다 큰 동력을 요청)에 감지된 증가분이 양호한 동작모드가 저속에서 고속도로 순항속도로 변속하는 것을 나타내면, 마이크로프로세서가 엔진(40)을 시동하도록 인버터/충전기(23)에 의한 시동모터(21)의 제어를 행한다. 엔진(40)이 기본적으로 일정 속도에 이르면, 클러치(51)와 결합되어, 엔진(40)이 모터(21, 25)의 축을 통하여 로드 휘일(34)을 구동한다. 운전자가 바람직한 순항속도에 도달되어졌음이 나타나서 가속 페달에 압력을 해제하면, 따라서 주전동모터의 동력이 감소된다. 고속도로 순항속도 모드는 "모드IV"동작으로 언급되고 그리고 에너지와 토오크의 흐름은 도8c에서 설명된다.
만일 여분의 토오크가 고속도로 순항속도 주행 중에, 예를 들면, 가속도 또는 오르막 주행으로 필요하게 되면, 모터(21, 25)의 어느 하나 또는 양쪽에 동력이 발생된다. 이러한 "모드V"동작은 도8d에 나타내었으며; 에너지는 탱크(38)로부터 엔진(40)으로, 그리고 배터리 뱅크(22)로부터 주전동모터(25)로, 그리고 가능하게는 시동모터(21)로도 전달되며; 토오크는 모터와 엔진 양측 또는 어느 일측으로부터 휘일(34)로 전달된다.
배터리 충전동작 중에 에너지의 전달은 도8에서는 설명되지 않았지만, 당 분야에 기술인은 이를 이해할 수 있을 것이며, 부가로 이하에 설명된다. 예를 들면, 엔진의 순간 출력 토오크가 도로부하를 초과하면, 시동모터(21)가 충전기로서 동작되어 재충전 전류를 배터리 뱅크로 공급한다. 유사하게, 도로부하가 하방향 추세 또는 음성(negative)이면, 주전동모터 또는 시동모터 양측 또는 어느 일측이 축열식 충전기로서 동작하여 배터리 뱅크로 재충전 전류를 공급하며; 적절한 운전자의 명령에 반응하여 제동동작이 유사하게 달성된다. 도6은, 상기 지시된 바와 같이, 본 발명의 하이브리드 차량 동력트레인 동작의 다른 모드를 설명하는 다이어그램이고; I-V표시로서 나타낸 동작 모드가, 마이크로프로세서(48)에의해 제어되는 차량동작 모드인, 배터리 뱅크의 충전 상태, 순간적 도로부하, 및 시간의 함수를 설명하는, 3차원 챠트로 표시된다. 이하에서 설명되는 도7은 부가로 본 발명의 차량동작 모드를 설명한다.
도6은 외부방향 발단부(origin)에 70%로부터 30%로 도시된 최소값으로 연장되는 배터리 충전상태를 일 축선에 나타낸 도면이다. 정상적으로, 배터리는 적어도 완전 충전의 30%를 유지한다. 양호하게, 배터리 뱅크는 이론적 완전용량의 70%이상으로 충전되지는 않으며; 만일 일렬로 연결된 배터리의 수가 그 명목상의 완전 충전의 100%까지 모두 충전되면, 그 서비스 생명을 현격하게 단축시키는, 제조 변수, 지역 온도 변수 및 그와 같은 것들로 인하여 과충전된 것으로 나타난다. 또한, 그 이론적 용량의 100%까지 개별 배터리를 재충전하는 빈도수는 배터리 수명을손상시키는 일과 관련된다.
도로부하는 도6에서 그 발단부에 0으로부터 엔진의 최대 토오크 출력의 200%로 변경되는 제2축선에 나타내었다.(내리막 길 주행 또는 제동동작 하에서 발생하는 음성적 도로부하(negative road load)는 설명의 곤란함으로 도6에는 나타내지 아니하였다. 이러한 정황은 이하에서 도7과 관련하여 기술한다.) 시간은 그 발단부에 임의 지점으로부터 연장되는 제3축선에 나타내었으며; 즉, 도6은 그 발단부에현재 순간에서 다음 단시간 기간(30-60초 정도)에 걸친 차량의 동작모드를 나타낸다. 다른 상태에서는, 본 발명의 일면에 따라서, 마이크로프로세서(48)가 순간성 도로부하와 배터리 충전상태와 같은 "최근 히스토리"에 따르는 임의적으로 주어진 시간에서의 차량의 동작모드를 제어한다.
보다 특정하게는, 도6은, 차량의 순간 토오크 소요 또는 "도로부하"가 엔진의 최대 토오크의 30%에 이르는 구동으로 운전 중인 예로 한정된 도시 주행(모드I) 중에, 차량이 "직동 전기(straight electric)" 자동차로서 작동하는 것을 나타낸 도면이며, 클러치는 결합해제되고 그리고 배터리 뱅크(22)로부터의 에너지는 배터리가 그 완전 충전의 50 내지 70% 사이로 충전되어 유지되는 한에서는, 차량을 추진하는데 주전동모터(25)를 동력으로 사용한다. 만일, 충전이 모드II 범위를 한정하는 곡선 라인에 의해 나타낸 바와 같이 시간을 초과하여 변할 수 있는 주어진 값 밑으로 떨어지면, 모드II는 지시된 바와 같이 들어가서, 엔진이 시동되고, 그리고 시동모터(21)가 배터리를 대체로 완전 충전으로 충전하도록 발전기로서 동작한다. 모드III에 나타낸 바와 같이, 전기 자동차로서의 차량의 동작도, 배터리가 완전 충전의 40% 밑으로 떨어질 때에, 예를 들면 만일 엔진 또는 충전시스템에 고장이 있으며, 비상사태에 있을 때만, 허용될 수 있으며; 상기 딥 방전은 배터리 수명에 해로운 것이다.
도로부하가 엔진 최대 토오크 출력의 약30% 내지 100% 사이에 있는 영역IV인 고속도로 순항주행 중에는, 엔진만이 차량을 추진하는데 사용된다. 따라서, 마이크로프로세서가 영역I 과 영역IV 사이에 변위가 소요되는 것을 탐지하면(예를 들면마이크로프로세서가 더 많은 동력을 위한 조작자의 명령에 대한 차량의 반응을 모니터링 하여 도로부하를 효과적으로 판단할 수 있음), 시동모터(21)가 상대적으로 고속도로 엔진(40)이 회전되도록 하고; 소정의 시동 속도에, 일반적으로는 300rpm에 도달하면, 전자식 엔진관리 유니트(55)와 전자식 연료분사 유니트(56)는 개별적으로 엔진을 시동하는 점화 플러그의 점화와 연료의 공급을 제어한다. 따라서, 비교적 고 rpm에서의 엔진의 시동에는, 시동용으로 보통 사용되는 매우 농후한 혼합물과 대비하여, 유사-이론량 연료/공기 혼합물이 사용될 수 있다. 불연소된 탄화수소의 배출이 저하되고, 그리고 연료 경제성이 향상된다.
엔진 출력축의 속도가 주전동모터(25)의 속도와 대체로 매치되면, 클러치(51)가 결합되고; 모터(25)에의해 생성된 동력이 엔진(40)에의해 생성된 동력의 증가로 감소되어서, 모드I과 모드IV 사이에 전이가 완만하고, 기본적으로 운전자에 의해 탐지되지 않게 된다. 운전자가 소정의 순항주행속도에 도달되어져 있음을 나타내어 가속도 페달(69)에 압력을 감소하면, 모터(25)에 대한 동력이 제로로 저하된다.
만일, 운전자가 동력 추가 예를 들면, 가속 또는 추월(passing)을 의도 한다면, 영역V에 유입되고; 즉, 마이크로프로세서가 도로부하를 엔진 최대 토오크 출력의 100%를 초과함을 탐지하면, 에너지가 배터리 뱅크(22)로부터 주전동모터(25)로 흘러가도록 인버터/충전기(27)를 제어하여, 엔진(40)에의해 제공되는 에너지에 더해진 차량을 추진시키는 토오크를 제공한다. 시동모터(21)는 유사하게 추진 토오크를 제공하도록 제어된다.
상기 지시된 바로서, 고속도로 순항주행 중에, 차량을 추진하는데 소요되는 토오크가 운전자의 명령에 의한 지시로 변경되는 장소에서, 제어시스템은 토오크 출력 레벨을 대응적으로 변경하는 시점에서 엔진을 작동한다. 허용되는 엔진 토오크 출력 레벨의 범위는 엔진이 양호한 연료효율을 제공하는 범위로 한정된다. 차량의 순간 토오크 소요가 엔진의 최대 유효한 토오크 출력을 초과하는 곳에서, 예를 들면 추월 또는 오르막 길 주행 중에, 일측 또는 양측 전기모터가 활성으로 되어 추가 토오크를 제공하고; 차량의 토오크 소요가 엔진에 의해 생성되는 토오크보다 작은 곳에서, 예를 들면 내리막 길에 관성에 의한 주행 중에 또는 제동동작 중에, 과도한 엔진 토오크는 배터리를 충전하는데 사용된다. 축열식 충전동작은 동시적으로 발전기 모드에서 동작되는 일 또는 양쪽 모터를 차량의 운동 에너지의 회복과 엔진으로부터의 토오크 모두가 구동하여 발생한다. 엔진에 의한 토오크 출력의 변화율은 배기 감소로 제어될 수 있으며 그리고, 배터리 뱅크의 충전 상태에 따라서 제어될 수 있는 것이다. 도7은 그러한 상기 관계를 설명하는 도면이다.
상술된 바와 같이, 도7의 (a) 내지 (c)를 포함하는 도7은, 저속 도시도로 주행, 고속도로 순항주행, 및 연장된 고-부하 운전 중에 시간에 걸친 변화로 엔진의 동작, 배터리 뱅크의 충전상태, 엔진 토오크 출력, 및 도로부하 사이에 관계를 나타내는 타이밍 다이어그램이고, 부가로 본 발명에 따라서 이용되는 제어전략을 설명한다.
도7의 (a)는 차량의 순간 토오크 소요, 즉, 시간에 걸친 변화로서, 실선으로 나타낸 "도로부하", 그리고 점선으로 나타낸 엔진의 순간성 출력 토오크를 나타낸다. (엔진의 순간 출력 토오크는 명확하게 하기 위해서 그리고 발명의 제어전략의 임의적 부가면을 명확하게 나타나도록 도7의 (c)에서 반복된다.)도로부하는 엔진의 최대 토오크 출력의 함수로서 표현된다. 도로부하가 엔진의 순간 출력 토오크를 초과하는 지점에서, 이들 2개 라인 사이에 교차-빗금친 구역은 주전동모터 및/또는 시동모터에 의해 제공되는 토오크를 나타내며; 엔진의 순간 출력 토오크보다 도로부하가 낮은 지점에서, 교차-빗금친 구역은 배터리의 충전동작을 나타낸다.
양성적 차량 토오크 지시가 정속 순항주행, 가속, 오르막 길 주행, 또는 그와 같은류의 주행에 대응하는 반면에, 음성적 차량 토오크 소요는 감속 또는 내리막 길 주행에 대응하는 것을 예측할 수 있다. 엔진의 출력 토오크는 효율적인 작동 범위로 제약을 받으며; 도7의 (a) 내지 (c)에서 설명된 바와 같이, 이러한 범위는 엔진의 최대 토오크 출력(MTO: maximum torque output)의 30% 내지 100% 사이에서 제어를 받게 된다. 상술된 바와 같이, 본원에 언급된 유사한 도면과 마찬가지로 30%도면은 본 발명의 범위를 이탈하지 않고 변경될 수 있는 것임을 예측할 수 있다.
도7에 도시된 차량 작동의 예에서는, 개시적으로, 차량은 MTO의 30% 밑에 도로부하에서만, 즉 A로 나타낸 교통정체 구역에서 동작한다. 따라서, 소요되는 모든 토오크는 주전동모터(25)에 의해 제공되고 그리고 도7의 (b)에서 설명된 바와 같은 배터리 뱅크(22)의 충전상태(BSC:the state of the battery bank)는 도로부하에 직접적으로 대응하고; 도로부하가 음성적이면, BSC는 축열식 제동동작으로 배터리 뱅크의 충전으로 상승한다.(BSC에 변화는 도시된 경우를 명확하게 설명하기 위해서 상당히 확대된 것이다.)
B지점에서, 도로부하는 특정한 운행 시에 제1시간용으로 MTO의 30%를 초과한다. 이러한 사실이 마이크로프로세서(48)에의해 탐지되면, 시동모터(21)가 비교적 높은 고속도에서 엔진(40)을 회전하며, 촉매컨버터(64)가 예비가열되어 C에 도시된 바와 같이 BSC에 짧은 배기를 발생한다. 엔진이 소정 개시속도, 예를 들면 300rpm에 이르고 그리고 촉매가 최소 유효한 동작온도, 예를 들면 적어도 약 350℃에 이르면, 엔진은 연료의 공급과 그 점화 플러그의 폭발로 개시되고, 그리고 클러치가 결합된다. 엔진이 이미 상당한 고속도에서 회전하여 시동 과정 중에 그 실린더에 공기를 압축하여 워밍업 되어져 있으므로, D로 나타낸 바와 같이 거의 바로 유용한 토오크를 생성하기 시작한다.
그 후, 차량의 토오크 소요가 E-G 와 P지점에서와 같이 순간 엔진 출력 토오크를 초과하면, 일측 또는 양측의 주전동모터와 시동모터(25, 21)가 동력을 얻어서 로드 휘일에 추가 토오크를 제공한다. 즉, 차량이 모드V에서 동작한다. 도로부하(RL:road load)가 엔진의 유효 동작범위 내에서 있는 동안은, 예를 들면, 30% MTO > RL > MTO의 100%, 차량은 모드IV에서 동작한다. 모드IV 동작 중에, 만일 엔진의 순간 토오크 출력이 차량의 토오크 소요를 초과하지만, 배터리가 H지점에서와 같이 비교적 완전하게 충전되면, 엔진의 토오크 출력은 도로부하와 매치하도록 낮아지고; MTO가 도로부하를 초과하고 그리고 BSC가, I지점과 J지점으로, 예정 레벨 밑으로 떨어지면(도7의 (b)를 참고), 엔진(40)으로부터 이용가능한 과잉 토오크는 K지점과 L지점(도7의 (c))으로 나타낸 바와 같이, 배터리를 충전하는데사용된다. 차량의 토오크 소요가 M지점과 같이, 최소 허용가능한 엔진 토오크 출력보다 적으면, 엔진은 다시 배터리를 충전하는데 사용되고, 그리고 축열식 제동동작도 행해져서, 배터리를 부가로 충전시킨다. 만일, 배터리가 대체로 완전하게 충전되어지면, 예를 들면 N지점으로 나타낸 바와 같이 장기간 내리막 길을 주행하는 중이면, 엔진이 도7의 (c)에 Q지점으로 나타낸 바와 같이, 전체적으로 차단될 수 있다.
엔진의 토오크 출력의 변화율은, 순간 엔진출력 토오크를 나타내는 도7의 (a)에 대시-선이 차량의 순간 토오크 소요를 나타내는 실선을 감싸고 나타낸 바와 같이 예를 들면 회전 당 2% 미만으로 제한된다. 따라서, 엔진 출력 토오크의 변화율의 제한은 바람직하지 않은 배기와 향상된 연료 경제성을 한정하는데 양호하며; 즉, 이론 연료/공기 비율이 부하 전이로 어느 정도 변화하여, 간단하게 가속 페달을 운전자가 가압할 시에 트로틀이 개방하여 추가 연료의 분사가 발생하는 것은 비-이론적인 비효율적 연소를 초래한다. 본 발명의 이러한 면에 따라서, 엔진 토오크의 변화율이 한정되고; 이러한 사실은, 부하 변화에 응답하도록, 이론적 연소를 나타내는 배기 가스 스트림의 산소함량을 모니터링하는 "람다 센서"(104)(도3)를 포함하는, 본질적으로 통상의 전자 엔진관리 및 전자 연료분사 시스템에 충분한 시간을 제공하며, 이론적 연소를 유지하고 그리고 비연소된 연료의 배출을 저하시키는 것이다.
엔진 출력 토오크의 최대 허용가능한 변화 비율도 배터리의 충전상태에 따라서 변할 수 있으며; 보다 특정하게는, 만일 배터리가 상당량 방출되었다면, 가속명령에 대하여 배터리로부터 받게되는 전력량이 제한되도록, 다른 것보다 더 빠르게 엔진의 출력 토오크가 램프-업(ramp-up)하는 것이 양호하다. 보다 일반적으로는, 모터 출력 토오크로의 배터리에 저장된 에너지의 변환 시에 그리고 대응 재충전 기간 중에 동반되는 피할 수 없는 손실로서, 배터리로부터 받게되는 동력량을 제한하도록 엔진을 작동하는 것이 양호하다.
상술된 바로서, 도9는 차량 동작의 모드를 제어하는데 사용되는 제어 프로그램에 주요 판단 지점을 하이-레벨로 나타낸 흐름도이다. 넓게 말하면, 마이크로프로세서가, 차량의 순간 토오크 소요, 예를 들면 양쪽이 엔진의 최대 토오크 출력(MTO: maximum torque output)의 퍼센테이지로서 표현되는, "도로부하(RL)" 및 엔진의 순간 토오크 출력(ITO: instantaneous torque output) 그리고, 설정점에 대한 그 완전 충전의 퍼센테이지로서 표현되는 배터리 뱅크의 충전(BSC: charge of the battery bank)상태와 같은 시스템 변수용으로 감지되어 연산된 값을 테스트하고 그리고, 대비 결과를 사용하여 차량 동작의 모드를 제어하는 것이다.
상술된 바와 같이, 정확한 기준치에 응답하여 판단되는 것으로서(발명의 작동전략의 주요 특징을 명확하게 나타내기 위함) 본원에 기술되고 도9에서 설명된 발명의 제어 전략에 포함된 임의적 제어 판단은, 주어진 적용에서는 어느정도 "퍼지"가 유용한 것이며, 상기 용어는 최근 히스토리에 반응하여 또는 상술되지 않은 모니터된 변수에 반응하여 예를 들면 설정점의 값이 어느정도 변할 수 있는 것을 나타내는 것을 의미하는 것이다. 상술된 바와 같이, 다양한 수치 량에 적합하게 주어진 값은 본 발명을 이탈하지 않고 어느 정도 변경될 수 있는 것으로 이해한다.임의적인 선택을 충족하는 도9에 전반부에 단계용으로 특정 선택을 제공한다.
예를 들면, 상술된 본 발명의 제어전략의 예에서는, 도로부하가 MTO의 30%에 이르면 저속도 동작에서 고속도로 순항 주행으로의 변속이 발생하는 상태가 반복적으로 이행된다. 변속포인트(예를 들면, 모드I과 모드IV에 동작 사이)로서의 이러한 설정점("SP":setpoint)은 명확하게 임의적인 것이며 본 발명의 범위 내에서 예를 들면 MTO의 30-50% 사이에서 대체로 변하는 것이다.
또한, 마이크로프로세서가 수일 또는 수주일에 걸쳐 차량의 동작을 모니터하고 반복적인 운전 패턴에 대한 이러한 중요한 설정점을 리셋하는 것도 본 발명의 범위 내에 있다. 예를 들면, 운전자가 혼잡한 교외 개발지로부터 매일 아침 동일한 시간대에 작업장소로의 동일한 루트를 운행하는 것을 가정하면; 일반적으로 도로부하는 매일 처음의 수분동안은 MTO의 20% 이하를 유지하고, 다음 몇개의 교통신호등을 운전자가 통과할 시에 다른 몇분동안은 MTO의 0과 50%사이에서 변화하고, 다음 고속도로에서 운전자가 가속도를 낼 시에는 MTO의 150%로 급하게 증가한다. 상기 매일 매일의 패턴을 기록하고 분석하여 그에 따르는 제어전략을 채택하는 마이크로프로그램을 프로그램 하는것은 당 분야의 기술인이면 이행할 수 있는 것이다. 예를 들면, 상기와 같은 규칙적인 패턴의 인식에 대하여, 변속지점은 MTO의 60%로 조정되고; 이러한 것은 교외 교통에서 흔하게 발생하는 것으로서, 일 시간에 몇백 야드의 거리를 주행하는 동안 MTO의 30%가 초과된 도로부하로 반복적인 엔진 시동을 방지하여야 한다. 유사하게, 엔진 시동 루틴은 동일한 전체 거리가 각각의 날을 커버한 후에 개시된다.
또한, SP가 MTO에 대한 도로부하의 일 대비값으로부터 다른 변수에 종속된 다음 대비값으로 변경하도록, 도로부하가 어느 정도 "퍼지"로 모드I에서 모드IV로의 변속을 제어하도록 대비되게 설정점(SP)을 만드는것도 본 발명의 범위내에 있다. 예를 들면, 상술된 바와 같이, 만일 저속 동작 중에, 운전자가 가속 페달을 빠르게 가압하면, 이것은 완전 동력이 짧게 소요될 것이라는 표시로 처리되고, 그리고 도로부하가 어느 정도 특정한 설정점(SP)에 이르기 전에 엔진시동 동작이 개시된다.
변속지점의 값도 도로부하가 주어진 설정점(SP)과 동일하면 유효한 동작 모드에 종속하여 변할 것이다. 예를 들면, 상술된 예에서와 같이, 저속모드에서 고속도로 순항주행 모드로 변경되도록 동작모드가 제어되는 설정점이, MTO의 30%로 정상적으로 설정한다고 가정한다. 만일 도로부하가 상기 값 근처에서 변동되고 엔진 동작이 도로부하에 대하여 단독적으로 제어되는 교통상황 이면, 엔진은 반복적으로 시동되고 일 시간에 수백야드 주행동안 MTO의 30%를 초과하는 도로부하로 정지되고, 그리고 교외교통에서 흔하게 발생하는 바와 같이 MTO의 30%이하로 다시 떨어진다. 또한, 평탄한 도로에 순항 주행이 적정-속도에서의 발생하는 것으로서, 만일 도로부하가 MTO의 30%이상으로 평균되면서 빈번하게 이러한 값 밑으로 떨어지면, 반복 재시동도 발생한다.
도로부하 오버 타임의 모니터링과 그에 따르는 다른 설정점에 대한 대비로, 엔진 시동과 정지의 바람직하지 않은 상당량의 반복성 시켄스가 제거된다. 다른 조건의 발생 시에는 양호하게 모드IV 동작을 지령하며; 예를 들면, 모드IV는 도로부하가 연장된 시간기간동안 제1하부 설정점(SP)을 초과한 후에만 모드I로부터 유입되어서, 엔진이 연장된 저속 순항주행용으로 운영되지만, 고속도로에서의 가속 중과 같이 만일 도로부하가 예를 들면 MTO의 50%인 보다 높은 설정점(SP2)을 초과한다면 바로 엔진을 시동한다. 유사하게, 엔진은 도로부하가 시간의 연장된 시간기간동안 모드IV동작을 위한 최소 설정점보다 적을 때만 정지된다. 따라서, 모드-절환 판단에 "히스테리시스(hysteresis)"를 제공하여 임의 타입의 운전에서의 반복적인 엔진 시동을 제한 한다. 이러한 제한은 부가로 운전 패턴이 예를 들어 마이크로프로세서에 의한 인식으로 클리어하게 되도록 조정되어야 한다.
부가적인 정제에서는, 엔진이 모드IV동작에 유용한 최소값 밑으로 강하되는 도로부하로 정지되는 설정점이 BSC에 종속하여 변화되며; 만일 배터리가 대체로 완전하게 충전되면, 엔진은 MTO의 30% 밑으로 강하되는 도로부하로서 정지되지만, 만일 그 충전이 그보다 낮으면, 엔진은 배터리를 충전하도록 예를 들면 제로 도로부하인 정지에서도 운영되도록 연속적으로 제어된다. 물론, 아직은 클러치가, 엔진이 토오크를 생산하는 효율적인 속도로 운영되도록, MTO의 20-30% 밑으로 도로부하가 떨어지면 결합해제 하여야 한다.
따라서, 도9는 컨트롤 프로그램의 주 판단 포인트가 MTO의 30%와 동일한 도로부하로 설정된, 모드I 저속동작과 모드IV 고속도로 순항 주행과의 사이에 변속 지점을 가지며, 마이크로프로세서에 의해 운영되는 것을 나타낸 도면이다. 밑에 표시된 선택성이 있는 판단 포인트의 변수를 대체하여 상술된 다양한 옵션용의 예가 제공된다. 다른 선택성 포인트를 특정하게 나타내지는 않하였지만 그 것은 본발명의 범위 내에 있는 것이다.
제어 프로그램은 100단계로 진입하며, 여기서 마이크로프로세서는 도로부하(RL)가 MTO의 30% 이하인지를 판단한다. 만일, 답변이 예스("Y")이면, 클러치는 103단계와 105단계로 나타낸 바와 같이 필요에 따라 결합해제 된다. 다음, 배터리 뱅크(BSC: battery bank)의 변화 상태가 110단계에서 테스트되며; 만일, BSC가 완전 충전의 50% 와 70% 사이에 있으면, 차량은 직동 전기차량으로 일부 시간 동안 동작하고 그리고 그에 따라서 모드I이 '115'로 나타낸 곳으로 진행된다. "모드I"루프는 100, 103, 및 110단계를 구비하여 이루어지고; 상기 단계에서 테스트되는 모든 상태가 안정성을 유지하는 동안에는, 차량이 모드I에 작동을 계속한다.
그런데, 만일 110단계에서, BSC가 그 최대값의 50%보다 작다고 판단되면("N"), 엔진이 120단계에 테스트로서, 예를 들어 그 최대 충전의 75%에 이를 때까지 배터리 뱅크를 충전하도록, 가능하다면, 작용되어야 한다. 만일, 엔진이 125단계에 테스트로서 이미 작용하고 있으면, 배터리는 '130'으로 나타낸 바와 같이 충전되고, 그리고 '135'로 나타낸 안정 "모드II"루프는 100, 103, 110, 120, 125, 130단계를 구비하여 이루어진다.(110단계의 정상 동작은 이러한 모드에서 바이패스 또는 무능하게 되어 BSC가 70%에 이르렀을 때에 배터리 충전동작이 정지되는 것을 방지한다.) 만일, 엔진이 작용하지 않고 있으면, 엔진 시동 서브루틴(도9a에 분리하여 도시)이 140단계로 진행한다.
'엔터'블록(141)에서 개시되는 엔진 시동 서브루틴에서는, 클러치가 필요에따라서 142단계와 143단계에서 결합해제 되며, 촉매 온도는 '145'에서 적어도 약 350℃인지를 판단하도록 테스트 되고; 촉매는 '150'으로 나타낸 바로서, 필요에 의해 가열된다. 촉매가 적절하게 가열되면, 엔진이 블록(155, 160)을 구비하는 루프로 나타낸 바와 같이, 소정 개시속도에 이를 때까지 시동모터에 의해 회전된다. 엔진이 소정 개시 속도에 도달하면, 165단계에서 시작되어 연료 공급 및 그 점화 플러그의 폭발로 '복귀'블록(170)으로 나타낸 바로서 엔진 개시 서브루틴을 종결한다. 만일 엔진 개시 서브루틴이 모드II루프로부터 진입하면, 다음, 배터리 뱅크가 '130'으로 나타낸 곳에서 충전된다.
만일, 120단계의 실행에서, BSC가 엔진 또는 충전동작 시스템의 고장 시에만 발생하는 40%보다 적게 나타나면, 175단계가 실행되고; 따라서, 만일 30% < BSC < 40% 이면, 차량은 비상동작을 제공하도록 전기 자동차로서 모드III에서 동작된다. 그런데, 이러한 사실은 그 사용수명을 짧게하는 성질이 있는 배터리 뱅크의 딥 방정(deep discharge)이 피해지도록 엄격하게 제한되어야 한다. '177'로 나타낸 곳에서, 차량은 만일 BSC가 30%밑으로 떨어지면 완전하게 무능력하게 된다.
만일 RL이 100단계에서 MTO의 30%를 초과한 것으로 판단되면, 프로그램은 180단계로 진행하며, 여기서 30% > RL >100% 표현이 평가되며; 즉, 마이크로프로세서는 도로부하가 모드IV에서 고속도로 순항주행에 적절한지를 판단한다. 190단계에서 테스트되는 바와 같이, 만일 적절하여 엔진이 운영 중이면, 180과 190단계를 구비하는 안정적 루프가 이루어지며; 시스템은 상기 시스템의 일 상태가 변경될 때까지 '185'로 나타낸 곳에서 모드IV에서 유지된다.
만일 190단계에서, 엔진이 운영되지 않고 있음이 판단되면, 상술된 바와 같은 140단계로 개시되는 엔진 개시 서브루틴이 '195'로 나타낸 곳으로 진행하며; '200'에 복귀 시에는, 클러치가 '210'에서 결합되고 그리고 180과 190단계를 구비하는 루프가 진행된다.
주시된 바로서, 180단계에서는 RL이 MTO의 30과 100% 사이에 있는지가 판단되고; 만약 아니라면, RL이 MTO의 100%보다 큰지가 220단계에서 판단된다. 만약 그렇다면, 모드V가 진행되고 그리고 주전동모터(그리고 선택적으로는 시동모터)가 '230'에서 차량을 추진하는 부가적인 토오크를 제공하도록 동력을 갖게 된다. 따라서, 220과 230단계를 구비하는 루프가 확립되어서, 모드V가 220단계에서 실행되는 테스트의 상태가 변경될 때까지 안정성을 유지한다.
220단계의 실행에서 RL이 이제 MTO의 100%보다 작게 나타나면, RL이 MTO의 30%보다 작은지를 215단계에서 판단한다. 만약 그렇다면, 엔진은 '240'에서 정지되고 그리고 프로그램은 100단계로 복귀하고; 만약 그렇지 않다면, 프로그램은 180단계로 복귀된다.
도9의 흐름도에 따라서, 만일 도로부하가 MTO의 30% 미만에서 MTO의 100% 이상으로 빠르게 증가한다면, 시스템이 모드I로부터 모드V로 직접 즉, 100단계에서 220단계로 직접 진행될 수 있음을 예측할 수 있다. 따라서 운전자가 시스템을 동작하도록 허용하는 것은, 예를 들어 고속도로 교통으로 동화되도록 정지에서부터의 급한 가속이 소요될 때에는, 중요한 안전 특징이 된다. 이러한 환경에서, 엔진은 모드V에서 초기 동작하는 중에 운영되지 않으며, 배터리 뱅크에 중요한 배수구를강요하지 않으며, 그리고 주전동모터를 혹사하지 않는다. 따라서, 190, 195, 210단계(엔진 개시 서브루틴을 포함)와 동등한 단계는, 220단계를 따르고 그리고 230단계를 선행하는 것으로 이해한다. 즉, 결국적으로, 모드IV가 모드I로부터 모드V로의 직접적인 통과로 효과적으로 누락되고, 엔진은 가능한 빠르게 개시되어 클러치가 결합되며; 이러한 중복 단계는 설명의 명료함을 위하여 나타내지 않았다.
도9에 설명에서, 저속과 고속도로 동작 사이에 변속 포인트를 설정하여 도로부하가 모든 환경하에서 MTO의 30%와 동일하면 변속이 발생하는 것으로 된다. 그런데, 상술된 바와 같이, 저속 모드가 재유입되는 곳에 도로부하, 예를 들면 모드IV에 도로부하가 20% 밑으로 떨어질 때에 도로부하보다 더 높은 도로부하에서, 예를 들면 MTO의 50%에서 고속도로-순항주행 모드IV로 저속 모드I로부터 차량이 운행하도록 시스템을 동작하기를 희망할 수 있다. 모드 절환점의 이러한 "히스테리시스"는--예를 들면, 도로부하가 MTO의 20% 밑으로 떨어질 때까지, 차량이 MTO의 50%까지의 도로부하가 이르는 모드I에 가속을 인가하지만, 모드IV동작이 마감되는, 엔진 정지가 없음--불안정한 도로부하 기간 중에 과도한 모드 절환을 회피시킨다.
예를 들면, 전형적인 교외교통에서, 다르게 정상적 순항주행 속도로 주행하지만 그후 다시 잠시 정지하여, 운전자는 통상적으로 MTO의 30%로 가속도로 통과하며; 부하가 30% 근방에서 요동하여 엔진을 반복적으로 정지 및 재시동하는 비효율적인 것이다. 히스테리시스는 유사하게 도로부하가 30% 밑으로 흔하게 강하되면, 모드IV에서 정속도의 평탄한 도로 순항주행에서 필요로 하지 않는 모드 절환을 회피하는데 유용하며; 다시, 이것은 엔진을 반복적으로 정지 및 재시동하는 비효율적인 것이다.
따라서, 도로부하에 변경방향에 종속되는 다른 모드 절환점을 제공하는 것은 시간의 함수로서 도로부하(RL)를 모니터링하여 적절한 제어동작을 취하여 용이하게 달성되게 한다. 예를 들면, RL이 예를 들면 MTO의 50%를 초과하지 않고 30초 주기용의 MTO모드 절환점의 "정상" 30%를 초과할 때까지 시스템을 모드I에서 유지하면, 교외교통에서 만나게되는 것과는 다른 초과 모드 절환이 상당히 피해지게 된다. 도9b는 도9에 100단계를 대체하고 "저속 히스테리시스(low-speed hysteresis)"을 이행하는 100'단계를 나타낸다. 지시된 바와 같이, 시스템은, RL이 MTO의 30% 미만으로 있는 동안, 또는 RL이 30초 이상으로 MTO의 30%를 초과하는 것을 제외하거나, 또는 MTO의 50%를 초과하는 한에서는 저속 모드I에서 유지되며; 만일 후자의 어느 하나의 상태가 발생한다면, 프로그램은 모드IV동작을 개시하는 180단계로 진행한다.
유사하게, 고정 모드 절환점 둘레에서 도로부하 유동을 다르게 발생하는 과도한 모드 이동동작을 실행하도록 순항주행하는 모드IV에 히스테리시스는, RL이 MTO의 30과 100% 사이에 있는 동안, 또는 RL이 30초 이상동안 MTO보다 작은 것을 제외하는 한에서, 또는 MTO의 100%를 초과하는 한에서 모드IV에서 유지되는 시스템을 간단하게 제공하여 실행된다. 이러한 사실은 도9c에 도시된 바와 같이 실행되고; 개정된 215'단계는 도9의 215단계를 대체하며, 만일 시스템이 모드IV에 있으면, RL이 30초 이상용의 MTO의 30% 이하인 것을 제외하고, 180단계가 재-진입하여, "모드IV루프"를 보존하는 단계를 제공하며; RL이 30초 이상용으로 MTO의 30%이하이면, 엔진이 240단계에서 정지하고, 제어가 100단계로 패스되며, 그리고 모드I은 재-진입된다.
도6 내지 도9에서 설명되는 본 발명의 세부적인 제어전략에 대한 다수로 이루어진 부가적인 개조는 당 분야의 기술인의 기술로 발생될 수 있을 것이며, 이것은 본 발명의 범위 내에 있는 것이다. 예를 들면, 배터리 온도, 주위 온도, 및 그와 같은 종류의 것이 모니터되는 가변 표시에 따라서 BSC에 반응범위 내에 시스템의 동작을 변경할 수 있으며; 예를 들면, 더운 날에, 이것이 과열을 발생할 수 있는 것으로서, 완전 충전의 60%이상으로 배터리 뱅크를 충전하는 것을 피하게 할 수 있다. 부가로, 상기 지시된 바로서, 특정하게, 모드I, IV, 및 V 사이에 변속 포인트는, 그로부터 최적한 제어전략이 파생되는 것으로서, 마이크로프로세서가 차량의 사용 패턴의 세부적인 히스토리 기록을 축적하여, 수일 또는 수주이상의 기간과 소비자가 인정하는 안전과 편리성을 목적으로 최대 차량반응을 제공하도록 조작자의 지시에 따라서 변경될 수 있는 것이다.
또한, 마이크로프로세서에, 조작자의 지시없이 세부적으로 시스템의 작업을 이해하도록 조작자로부터의 유용한 제어정보를 제공하 수도 있는 것이다. 예를 들면, 제작자는 소정의 순항속도에 이르면 "순항속도 컨트롤"을 설정하는데 매우 익숙하게 되며; 그 후, 현존 엔진관리 시스템은 대체로 일정한 차량 속도를 유지하도록 도로부하에 변화에 대한 순간 엔진 토오크 출력을 제어한다. 도4에 나타낸 바와 같이, 마이크로프로세서가 소정의 순항주행 속도를 수용하여 조작자에 의해 입력값을 구성하는 것은 간단한 문제이다. 다음, 조작자는 연속적 트로틀 컨트롤의압력을 경감하고, 마이크로프로세서는 모두 통상적인 것으로서 대체로 일정하게 차량 속도를 유지하도록 도로부하에 변화에 대한 순간 엔진 토오크 출력을 유사하게 제어하며; 본 발명에 따라서, 마이크로프로세서도 변속점을 리셋하여서, 시스템이 조작자가 예를 들어 배출 순항주행 모드에 의해 대조적으로 나타날 때까지 순항주행 모드IV에서 유지된다.
상기 논의된 바로서, 본 발명의 부가 실시예에 따라서, 부가 유연성이 다른 시간에서가 아니고 차량의 효율성과 구동능력을 더욱 향상시키는데 유용하게 동작하도록, 마이크로프로세서(48)에의해 제어되는, 과급기(100)를 제공하여 상술된 바와 같은 하이브리드 차량에 제공된다. "과급기-온-디멘드"를 제공하는 것은, 필요에 의해 다른 토오크 출력범위에서 엔진이 효율적으로 기능하도록 하는 것이다. 기본적으로, 상기에서는 "도로부하"인 차량의 토오크 소요가, 예를 들면, 연장된 고속도 운전 중에, 트레일러의 예인(towing), 또는 장거리 언덕길 위로 운전할 때에 시간의 상대적 연장 주기(T)용의 엔진의 정상-흡인된 최대 토오크 용량을 초과할 때에만 이용된다. 도로부하가 T보다 작은 상대적으로 짧은 주기용 엔진의 최대 토오크를 초과하는 곳에서, 주전동모터(그리고 가능하다면 시동모터도)는 상기 특허 '970호에서와 같이 부가적인 토오크를 제공하는데 사용된다. 따라서 본 발명의 다른 면에 의거, 주기(T)는 배터리 뱅크의 충전상태에 대응하여 제어되며, 배터리 뱅크가 상당히 소모되면, 과급기가 배터리 뱅크를 보존하도록 다른 것보다 먼저 선점하여 활성화 된다.
당 기술분야에 기술인에게 널리 공지된 기술로서, 과급기(100)(도11에 도시)는 일반적으로, 개별적으로 배기측과 공기측 휘일로서 본원에서 언급되는 공통 축(106)에 2개 터빈 휘일(102, 104)을 포함한다. 엔진(40)으로부터의 배기 가스의 흐름은 배기측 휘일(102)이 회전하도록 하고; 공기측 휘일(104)은 축(106)에의해 구동되며, 공기 필터(110)를 통하여 과급기(100)의 몸체 안으로 공기를 인출한다. 따라서, 배기 스트림에서 소모되는 열이 엔진(40)의 유입 매니폴드에 대해 관으로 되는 유입 공기를 압축하여 효율적으로 회복된다. 첨가된 연료는 제공된 첨가 공기로 연소되어, 추가 토오크가 생성된다. 압축공기는 필요 시에는 인터쿨러(112)에 주위 공기와의 열 교환으로 단열적으로 냉각되어 엔진(40)의 열효율을 더욱 향상시킨다.
전형적인 과급기 동작에서, "웨스트게이트(wastegate)"(114)가 배기측 휘일(102)에서 부수적인 배기압력을 제한하도록 제공되어, 공기측 휘일(104)의 속도를 제한하여, 과급기에 의해 제공되는 "부스트"를 조정한다. 웨스트게이트는 고정된 부스트 압력에서 개방되도록 스프링-로드(일반적으로 터보챠지 레이싱 엔진의 출력을 조정하도록 제공)되거나 또는, 제어 변수로서 엔진 유입 매니폴드에 압력을 사용하는 피드백 루프에서 제어된다. 이러한 사실은 로베르트 보쉬 게엠베하의 자도차 핸드북(Automotive Handbook; 1986년 2판, 356쪽)을 참고 한다. 부가하여, 종래 실시에서는 과급기가 전체 시간에서 사용되며, 따라서 엔진의 설계가 최적하게 된다. 예를 들면, 터보챠지 가솔린 엔진은 일반적으로 정상적-대기 엔진용의 9-11 내지 1에 대비하여, 7 또는 8 내지 1의 압축비를 가진다. 상기 실시는 본 발명에 따라서 이용되지 않으며; 과급기는 필요 시에만 동작하도록 마이크로프로세서에 의해 제어되고, 그리고 엔진의 압축비와 다른 설계 매개변수는 정상적-대기 모드에서 동작될 때에 설계 기준 관계에 기본하여 선택된다.
본 발명에 따라서, 웨스트 게이트(114)는 마이크로프로세서(48)에의해 제어되며; 과급동작에 의해 제공되는 여분의 동력이 소요될 때에 환경에서 제외하고, 웨스트 게이트(114)는 개방(도1에 도시된 바와 같음)되어서, 엔진 배기가 기본적으로 과급기(100)를 우회한다. 마이크로프로세서(48)에 의해 제어되는 밸브(120)도, 엔진의 유입 매니폴드(122)와 과급기(100)의 공기측과 접속하는 덕트에 제공되어서, 엔진(40)이 사용 시에만 과급기를 통하여 공기를 인출하며; 다음 제2공기 필터(124)도 제공된다.
일반적으로, 자동차 사용용 과급동작은 비교적 소형인 전이 엔진이 그 동작 범위의 상단부에서 고 마력을 생성하도록 이용되며; 상기 엔진의 다른 설계 매개변수(예를 들면, 캐축 프로필)가 유사하게 선택된다. 따라서, 하이-rpm 마력용으로 최적하게 이루어진 엔진은 감소된 저속 토오크를 생성, 즉 정상적 대기 엔진과 대비되는 "정점(peaky)"이 된다. 변속전동부(variable-ratio transmission)는 기본적으로 저속으로부터 합리적인 가속도를 획득하는 것이다. 자동차 사용용으로 일반적으로 실행되는 다른 상태에 과급동작이 엔진의 속도 범위의 상단부에서 상당히 높은 토오크를 제공하며, 그러나 저속에서는 상당히 빈약한 토오크를 제공하며; 상기 엔진은 본 발명의 실시에는 적합하지 않은 것이다. 또한, 일반적으로 터보챠지 엔진은 "터보 레그(turbo lag)"를 당하며, 즉 소요되는 토오크에서 급작스러운 증가에 느리게 반응한다. 부가로 이하에 기술되는 바와 같이, 이러한 특정한 문제는본 발명에 따르는 하이브리드 차량에 과급기의 사용에 의해 극복된다.
당 분야의 기술인은 과급형 엔진이 또한 트럭과 같은 중-부하 로드 차량 적용물에 사용되지만, 이들 차량은 12, 16 또는 그 이상의 비율을 가진 변속기를 요구하여서, 엔진의 협폭 정점동력이 부하에 매치되고 그리고 그 모두가 일반적인 자동차 운전자에게 수용할 수 없는 가격과 과잉 기어-교환과 같은 상당히 빈약한 가속도를 나타낸다. 따라서, 저속 트럭형 또는 고속 자동차형 모두의 정상적인-과급형 엔진은 본 발명의 실행에서 안전적이지 않은 것이며; 발명의 주요한 목적으로서, 변속전동부없이 고속도로 순항주행 시에 엔진에 의한 단독적인 차량의 추진이 인가되지 않는다.
또한, 상기 주시된 바로서, 종래 이용되는 바와 같이, 과급기는 항시 사용된다. 대비적으로, 본 발명에 따라서, 과급기는 마이크로프로세서(48)에 의해 제어되어 지정된 구동 조건하에서만 사용되어, 엔진이 다른 모드에서의 효율적으로 동작하게 한다.
도12는 상기 지시된 바와 같이 도6과 대비되는 다이어그램이다. 도면에 도시된 본 발명의 하이브리드 차량 동력트레인의 동작의 다른 모드는, 과급모드VI가 더해지며, 도6에 도시된 도3과 도4의 차량과 동일한 것이다. 유사하게 도1은 본 발명의 일 면에 따르는 "과급기-온-디메드"를 구비하는 차량의 동작을 설명하는 것을 제외하고는 도7과 유사한 것이다.
도12에 도시된 바와 같이, 본 발명의 이러한 면에 따라서, 부가적 영역VI이 제공되며, 여기서 과급기(100)는 도로부하가 시간주기(T) 이상으로 엔진의 최대 출력을 초과되어진 것을 탐지하면 마이크로프로세서(48)에 의해 활성화 된다. 일반적으로, 이러한 경우는 차량이 트레일러를 견인해 갈 때에 또는 다른 중량의 짐을 실었을 때에, 긴 언덕길을 올라가면서, 또는 장시간 고속으로 동작하였을 때에 발생한다.
보다 특정적으로는, 도로부하가 고속도로에서 가속 중에 또는 추월 중에와 같이 시간(T)보다 작은 아주 짧은 시간동안 엔진의 최대 동력을 초과할 때에만, 상술된 바와 같이, 주전동모터가 소요되는 부가적인 토오크를 제공하는데 이용된다. 도로부하가 시간(T)보다 더 큰 시간동안 엔진의 최대 동력을 초과하면, 과급기는 웨스트게이트(14)를 폐쇄하고, 밸브(120)를 동작하여 에너지를 갖게 되어서, 엔진(40)의 유입 매니폴드(122)와 공기측 과급기(100)와의 사이에 덕트를 개방한다. 과급기의 동작 속도 범위가 "스플 업(spools up)"하여서, 엔진(40)에의해 생성된 최대 토오크가 증가하고, 그리고 주전동모터(35)에의해 생성된 토오크가 점진적으로 감소된다. 이러하게 발생하는 시켄스에 대해서는 도13과 관련하여 이하에서 부가하여 설명한다.
도12는 또한, t=0 평면에 대한 라인분할 영역(V, VI)의 각도로, T가 배터리 뱅크(22)의 충전상태로 변화하는 것과; 배터리 뱅크의 완전충전 시에, T가 배터리 뱅크의 상대적으로 덜한 완전 충전 시에와 비교하여 더 긴것을--즉, 배터리 뱅크로부터의 에너지가 장기간동안 엔진의 최대 토오크 출력의 초과 시에 안전한 도로부하로 사용되는 것을--나타내는 것이다. 또한, 과급기는 완전 가속이 필요할 때에, 예를 들면, 조작자의 하방향으로 점진적인 가속도 페달 가압동작을 탐지하면, 추가적인 엔진 동력을 제공하도록 동작한다.
상술된 바와 같이, 도13은 도13의 (a) 내지 (c)를 포함하는 것이며 2매 이상으로 연장된 것이며, 저속 도시운행, 고속도로 순항주행, 및 연장된 고부하 운행 중에, 본 발명에 따라서 이용되는 제어전략을 부가적으로 설명하는, 시간에 걸쳐 변화는 정상적 흡인 및 과급 모드에, 도로부하, 엔진 토오크 출력, 배터리 뱅크의 충전상태, 그리고 전기 자동차에서의 엔진의 동작을 상관적으로 나타낸 타이밍 다이어그램이다. 도13은 기본적으로 도7과 동일한 것이며, 도로부하가 시간(T) 기간 이상으로 MTO의 100%를 초과 시에 과급기(100)의 동작의 설명이 더해진 것이다.
따라서, t1, t2, t3, t4로 도13의 (a)에 도시된 바와 같이, 마이크로프로세서는 MTO의 100%를 도로부하가 초과는 중에 시간(t)의 길이를 모니터 하고, 그리고 BSC에 따라서 양호하게 변화되는 값(T)에 대해 연속적으로 t와 대비되며; 이러한 것은 도13의 (b)에 화살표 표시된 T의 상관 길이로 나타낸다. 도13의 (a)에 E, F, G에 t < T인 동안에는, 도로부하에 의해 소요되는 과잉 토오크는 주전동모터와 시동모터의 어느 하나 또는 양쪽에 의해 제공되며, 배터리 뱅크로부터의 동력을 인출한다. 모터는 함께 특허 '970호에 따르는 MTO의 적어도 100%에 이르는 토오크를 연속적으로 제공할 수 있는 비율로 되는 것에 유념하며; 이것은 모터가 변속전동부가 없는 양호한 차량 성능에 적절한 토오크를 제공할 수 있게 한다. 또한, 모터는 F에서와 같이 t < T인 짧은 시간 주기동안 MTO의 100%를 양호하게 능가하는 그 비율의 토오크보다 더 많이 제공하도록 증속 구동될 수 있으며; 주시된 바로서, 본발명의 중요한 면에 따라서, MTO를 초과하는 토오크가 t > T인 장기간 시간 동안 소요되는 곳에서, 과급기가 활성으로 된다.
따라서, P에서와 같이 t4≥ T이면, 마이크로프로세서가 상술된 바와 같이, 즉, 웨스트게이트(114)와 밸브(120)(설치된 경우)를 페쇄하여 기본적으로 과급기를 활성으로 한다. 수초를 취할 수 있는 과급기 "스플 업"과 부스트로서, Q로 나타낸 바와 같이 증가를 제공하고, 주전동모터에 의해(그리고 가능하다면 시동모터에 의해서도) 제공된 토오크는 R로 나타낸 바와 같이 감소된다. 오퍼레이터는 과급기의 활성을 개시하게 하는 임의적 동작을을 취하거나 주의를 기울일 필요가 없으며; 이러한 사실은 배터리 뱅크의 충전상태와 도로부하 오버타임에 모니터링에 대한 마이크로프로세서에 의해 제어된다.
도12와 도13 모두와 관련하여 설명된 바와 같이, T는 양호하게 과급기가 BSC가 상대적으로 낮을 때에 상대적으로 우선하여 활성으로 되도록 BSC에 따라서 변화되고; 이러한 사실은 BSC가 바람직하지 않은 낮은 값으로 떨어지지 않도록, 도로부하가 MTO의 100%를 초과하면 주전동모터(또는 양측 모터)와 엔진의 동작 중에 배터리로부터 배출되는 에너지의 량을 제한한다.
당 기술분야에 기술인은 본 발명에 따르는 하이브리드 차량에 마이크로프로세서-제어식 과급기의 설치가 첨가 모드에 동작을 허용하여 제공된 동작 계획에서 증가된 유연성을 제공하는 것을 이해할 수 있을 것이며; 기본적으로, 과급기는, 다른 시간대에서는 비용 효율성 없이 필요 시에만 대형 엔진을 제공하는 것이다. 이러한 사실은 본 발명의 하이브리드 차량의 목적에 부합하는 특히 주요한 내용이 된다. 보다 특정하게는, 상기 작동 이점에 더하여, 본 발명에 따르는 하이브리드 차량에 "과급기-온-디멘드"의 제공은 엔진이 다른 것보다 더 소형으로 즉, 주어진 중량의 차량에 적절한 고속도로 성능을 제공할 수 있는 것이다. 시동 모터/발전기는, 엔진이 효율적으로 동작하기에 적절하게 배터리를 충전하도록 동작할 때에(예를 들면 연장된 도시운전 시에) 엔진을 적재하는 그러한 크기로 이루어져서, 보다 소형인 엔진의 이용은 보다 소형인 발전기 모터의 사용을 허용하게 된다. 유사한 이유로, 보다 소형인 엔진의 제공은 우수한 연료 경제성으로 전환되는 결과를 초래하는, 보다 낮아진 평균속도로 개시되는 고속도로 운행에서의 차량의 효율적인 추진을 이행하는데 사용될 수 있는 것이다. 본 발명에 따르는 "과급기-온-디멘드"를 제공하여, 상기 이점의 모두를 차량의 결정적 성능을 해치지 않고 실현할 수 있다.
상기 지시된 바와 같이, 본 발명에 따르는 "과급기-온-디멘드"의 편리한 일 실행은 마이크로프로세서에 의해 제어되는 솔레노이드 또는 그와 같은 것에 의해 웨스트게이트를 동작하는 것이다. 즉, 과급형 동작이 소요될 때를 제외하고 바이패스 밸브로서 웨스트게이트를 이용하여 실행한다. 또한, 분리 바이패스 밸브도 선택적으로 제공된다. 웨스트게이트는 도11에 설명된 바와 같이 일반적으로 종래 방식으로 스프링-로드 릴리프 밸브로서 양호하게 실행되어 제공되는 "부스트(boost)를 제한한다. 또한, 본 발명의 내에서, 검출되는 휘일 스핀(wheelspin)을 제한되게 토오크를 제한하도록 그리고 전속도로 "스플-업"하느데 소요되는 시간이 저하되게 중간 속도로 회전하는 과급기 휘일을 유지하도록, 완전-개방과 폐쇄 위치 사이에 있는 중간 위치를 취하도록 웨스트 게이트를 동작한다. 차량 성능을 보장하도록 보다 높은 고도에 적절한 부스트가 제공되는 것이 보장되도록 적절한 센서(107)에 의해 제공된 대기압 신호에 대한 웨스트게이트를 조정하는 것도(도11) 본 발명의 범위 내에 있다.
또한, 슈퍼챠저, 즉 엔진에 의해 구동되는 양성-전이 공기펌프가 도12와 도13에 설명된 차량 동작의 다른 모드를 이행하는데 사용되어야 함을 예측할 수 있으며; 예를 들어, 슈퍼챠저의 동작은 전기적-제어 클러치를 통해 구동되어 마이크로프로세서에 의한 제어를 받으며, 따라서 이러한 사실은 본 발명의 범위 내에 있는 것이다. 그런데, 이러한 사실은 슈퍼챠징이 엔진 토오크를 소모하는 중에, 유입구 매니폴드에 도달하는 공기를 압축하여 엔진 배기부에서 일부 소비 열을 효율적으로 회복하는 과급동작으로서의 과급기 동작보다 효율적이지 않은 것이며, 반면에 한다. 따라서, 상술된 바와 같이 과급동작은 양호한 것이다.
따라서, 고 토오크가 소요되는 연장 기간 중에만 동작하도록 차량의 컨트롤러에 의해 제어되는 과급기를 하이브리드 차량의 내연기관에 제공하여, 과급기가 연속적으로 동작하는 종래 시스템과 대비하여, 또는 소형 과급형 엔진과 동일한 최대 토오크를 가진 대형 엔진과 비교하여, 양측이 모두 다수의 주요한 이점이 실현된다. 상기 설명된 바와 같이, 소형의 내연기관은 모두 피크 토오크 출력 근처에서 동작될 때를 제외하고, 극히 비효율적이며; 엔진이 대형일 수록, 이러한 일이 발생될 빈도수는 적어진다. 대형의 내연기관에서, 일반적인 "정점" 토오크 곡선을가진 종래-과급 엔진을 이용하는 것은, 가변-속도 전달이 없이 고속도로 운행 중에 차량을 추진하는데 상기 엔진이 사용되는 것을 허용하지 않는다. 대신에, 작동적으로 필요할 때에만 이용되는 "과급기-온-디멘트"를 제공하여, 본 발명의 차량은 고속도로 순항주행 중에 차량을 효율적으로 추진하는 그 주 기능을 최적하게 하는 소형 엔진을 이용할 수 있으며, 필요 시에는 대형 엔진으로서 동작할 수 있는 것이다.
본 발명에 의해 제공된 다른 이점은, 웨스트게이트가 정상적으로 개방되어 배기 온도가 촉매컨버터의 성능을 최적하게 하는 고온으로 유지되는 사실을 가지는 것이며; 종래 방식의 실행으로, 그 에너지로서의 배기가스의 냉각동작은 과급기 로터가 양호한 촉매컨버터의 성능을, 특히 저속도에서, 방해할 수 있는 회전동작(spinning)을 제거한 것이다. 부가로, 주전동모터가 필요시에 추가 토오크를 제공하기 때문에, 조작자가 보다 큰 동력을 요구할 시에 과급기의 "스플 업"으로 종래 과급형 차량에서 경험하게되는 "터보 레그(turbo lag)"가 없어진다.
고 토오크가 소요되는 연장 기간 중에만 동작하도록 차량의 컨트롤러에 의해 제어되는 과급기를 가진 내연기관을 구비하는 하이브리드 차량으로 본 발명에 따라서 구조되어 동작되면, 스포츠-유틸리티 차량 또는 밴과 같은 빈약한 에로다이나믹 특성을 가진 중량 차량이더라도, 극히 우수한 연료 경제성과 극히 적은 배기를 하면서도, 우수한 가속도, 오르막 길 주행 및 견인 능력을 제공한다.
본 발명에 다른 면은 시스템의 다양한 성분을 정립 배열하는 방법에 관한 것이다. 상기 예에서는 본 발명의 이러한 면에 따르는 과급기를 구비하지 않은 차량용의 성분을 선택하여 제공하였다. 따라서, 6,000파운드 트레일러를 견인하는 중에도 합리적인 가속도와 통과 성능을 가지는데 소요되는 5,500파운드 "SUV(sport-utility vehicle)"를 부가적인 예로서 사용하며, 본 발명의 하이브리드 구동 시스템의 성분의 정립 배열은 다음과 같이 하여 양호하게 이루어진다.
1. 내연기관은 충분한 토오크를 가지어서 정속 그레이드에 따른 고속도에 대한 중간속도로 트레일러 없는 SUV를 구동하는 것으로 선택된다. 최대 6,000rpm에 100hp의 엔진이 적정하다.
2. 만일 트레일러가 견인되면, 상기와 같이 동작하는 과급기가 더해진다. 과급기는 그 동작시에 엔진이 140hp를 제공하도록 정립 배열된다.
3. 충전기 모터는 적절한 엔진 속도에서 엔진의 최대 토오크의 대략 70% 정도와 동일한 엔진 부하를 제공하는 크기의 것으로 한다. 이러한 방식에서는, 연료가 상술된 바와 같이 배터리를 충전하는 중에 효율적으로 사용된다. 상기 예에서는, 충전기 모터가 엔진의 플라이휘일을 기본적으로 형성하는 "면판" 또는 "팬케익"타입으로 구조되는 30-40hp용량의 유도 모터이다. 상기 모터는 1200-1500rpm에 상기 특정된 엔진에 의해 생성되는 최대 토오크의 70%인, 20-22hp를 소요하는 발전기로서 동작하고; 따라서 발전기 충전동작은 매우 연료-효율적인 방식으로 이루어진다.
4. 주전동모터는 필요에 따른 도움을 주는 시동모터를 가지고, 휴지 상태로부터 특정한 최대 그레이드를 극복하도록 제로 속도에서 적절한 토오크를 제공하는 크기의 것이다. 상기 예에서, 주전동모터는 16,000rpm의 최대속도를 가진 100hp의유도 모터이며, 적절한 감속비를 제공하는 체인 구동부를 통하여 구동휘일에 접속되는 것이다. 이러한 예에서, 병합된 시동모터와 주전동모터로부터 이용가능한 전체 토오크는 특허 '970호의 발명의 면에 따르는 엔진에 의해 제공된 것을 초과하는 것으로 예견된다.
5. 주전동모터의 토오크 대 속도 프로필은, 엔진으로부터의 토오크의 사용없이, 특히 "FUDS"(Federal urban driving fuel mileage test)에 순응하기에 충분한 가속도를 제공하도록 도시 운행을 허용하게 선택된다.
6. 다음, 배터리 용량은 예를 들어 많은 반복성 구동 사이클에 걸친 딥 방전에 의해 과응력되지 않기에 충분한 사이클 수명을 제공하도록 선택된다. 예에서는, 800v, 8.5KAH배터리 팩이 제공된다.
7. 끝으로, 컨트롤러에는 상술된 제어 계획을 이행하는 소프트웨어가 설치된다. 즉, 저속에서 구동 토오크의 소오스만으로 주전동모터를 사용하고, 설정점 이상으로의 도로부하의 증가 시에 엔진이 시동하고, 상술된 시간(T) 이상동안 엔진의 최대 토오크를 도로부하가 초과할 때에 과급기를 동작하며, 이것은 배터리의 충전상태에 따라서 상술된 바와는 다르게 변경될 수 있는 것이다.
시뮬레이션은 상기와 같이 구조된 SUV(트레일러 없음)가 40miles/gallon의 용량이어야 하며, 반면에 오직 15miles/gallon의 연료 경제성으로 일반적으로 돌아오는 종래 SUV와 등가의 로드 성능을 제공하는 것을 나타낸다.
하이브리드 차량과 본 발명의 그를 위한 동작전략이 본원에 기술된 종래기술을 능가하는 다양한 이점을 제공하며, 그에 대한 부가적인 향상과 개조가 당 기술분야의 기술 내에 있다. 따라서, 본 발명의 양호한 실시예를 기술하였지만, 본 발명의 범위 내에서의 다양한 변경이 가능한 것이기에, 본 발명은 이러한 사실에 제한되지 않는 것이다.

Claims (52)

  1. 차량의 작동변수를 나타내는 입력값을 수용할 수 있고 제어프로그램에 응답하여 제어신호를 제공할 수 있는 제어기와,
    배터리뱅크와,
    내연기관과,
    배터리뱅크로부터 전기에너지를 수용하고 상기 배터리뱅크에 전기에너지를 제공하기 위해 상기 배터리뱅크에 전기적으로 연결된 제1전기모터와,
    상기 배터리뱅크로부터 전기에너지를 수용하고 전기에너지를 상기 배터리뱅크에 제공할 수 있도록 상기 배터리뱅크에 전기적으로 연결되는 제2전기모터를 포함하며,
    상기 제1모터는 내연기관에 기계적으로 연결되며, 내연기관과 제1모터의 조합체는 차량의 로드휘일과 조합체 사이의 제어가능한 토오크전동연결을 위해 상기 제어기에 의해 제어되는 클러치에 결합되며,
    상기 제1모터는 제어기로부터의 지령에 응답하여 엔진으로부터 토오크를 수용하여 배터리뱅크를 충전하고; 엔진(3)을 시동하기 위해 상기 배터리뱅크로부터 에너지를 수용하여 토오크를 엔진에 인가하며; 상기 로드휘일에 토오크를 인가하여 차량을 추진시킬 수 있도록 배터리뱅크로부터 에너지를 수용하며; 배터리뱅크를 충전하기 위해 로드휘일로부터 토오크를 수용하며,
    상기 제2모터는 차량의 로드휘일에 전기적으로 기계적으로 연결되며; 토오크를 로드휘일에 인가하여 차량을 추진시킬 수 있도록 배터리뱅크로부터 에너지를 수용하고, 배터리뱅크를 충전하기 위해 로드휘일로부터 토오크를 수용할 수 있도록 제어기로부터의 지령에 응답하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어기에는 차량에 전달되는 순간도로부하와 배터리충전상태를 포시하는 신호가 제공되며, 상기 제어기는 차량이 이러한 신호에 응답하여 다수의 작동모드로 작동될 수 있도록 엔진과 클러치와 제1모터 및 제2모터의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량.
  3. 제2항에 있어서, 차량에 전달된 순간도로부하를 표시하는 상기 신호는 차량조작자에 의해 제공된 지령을 관찰하므로써 상기 제어기에 의해 적어도 부분적으로 결정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량.
  4. 제2항에 있어서, 도로부하(RL)는 엔진의 최대토오크출력(MTO)에 대한 비율로 표시되며; 상기 작동모드는 저속모드(Ⅰ)와, 고속도로 주행모드(Ⅳ)와 가속모드(Ⅴ)를 포함하며,
    상기 저속모드에서, RL<SP일 때 차량은 배터리뱅크로부터 공급된 에너지에 응답하여 주전동모터에 의해 제공된 토오크에 의해 추진되고, 상기 SP는 설정된 MTO비율로 표시된 설정점이며,
    상기 고속도로 주행모드에서, SP<RL<MTO의 100%일 때 차량은 연소가능한 연료의 공급에 응답하여 상기 엔진에 의해 제공된 토오크에 의해 추진되며,
    상기 가속모드에서, RL>MTO의 100%일 때 차량은 연소가능한 연료의 공급에 응답하여 상기 엔진에 의해 제공된 토오크와 상기 배터리뱅크로부터 공급된 에너지에 응답하여 주전동모터에 의해 제공된 토오크에 의해 추진되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량.
  5. 제4항에 있어서, 상기 클러치는 저속모드(Ⅰ)에서 분리되고, 고속도로 주행모드(Ⅳ) 및 가속모드(Ⅴ)에서는 결합되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량.
  6. 제4항에 있어서, 상기 작동모드는 RL<SP이고 배터리뱅크의 충전상태가 설정레벨 이하일 때 작동되는 저속 배터리충전모드(Ⅱ)를 부가로 포함하며, 상기 차량은 배터리뱅크로부터 공급된 에너지에 응답하여 상기 주전동모터에 의해 제공된 토오크에 의해 추진되며, 상기 배터리뱅크는 시동모터로부터의 전기에너지공급과 동시에 충전되며, 상기 시동모터는 연소가능한 연료공급에 응답하여 엔진에 의한 토오크로 구동되며, 상기 클러치는 저속 배터리충전모드(Ⅱ)중에는 분리되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량.
  7. 제4항에 있어서, 상기 설정점(SP)은 차량의 동작패턴을 반복관찰에 응답하여 상기 제어기에 의해 변화되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량.
  8. 제4항에 있어서, 저속모드(Ⅰ)와 고속도로 주행모드(Ⅳ) 사이에서의 전이는 오직 RL>SP 또는 RL>SP2일 때만 설정의 시간동안 발생하도록 제어되며, 상기 SP2는 SP 보다 큰 MTO비율인 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량.
  9. 제4항에 있어서, 주행모드(Ⅳ)와 저속모드(Ⅰ) 사이에서의 전이는 오직 RL>SP일 때만 설정의 시간동안 발생하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량.
  10. 제4항에 있어서, 상기 제어기는 저속모드(Ⅰ)의 작동으로부터 RL에서 급격한 증가가 검출되는 가속모드(Ⅴ)로의 직접적인 전이를 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량.
  11. 제4항에 있어서, 상기 제어기는 필요한 주행속도의 조작자입력값을 수용한 후 차량속도를 일정하게 유지하기 위해 RL의 변화에 따라 순간적인 엔진토오크출력을 제어하며, 조작자가 필요로 하는 주행속도가 더 이상 필요하지 않다는 신호를 제공할 때까지 저속모드(Ⅰ)로의 전이를 허용하지 않는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량.
  12. 제4항에 있어서, 배터리뱅크의 재충전은 엔진의 순간토오크출력이 RL 보다 클 때, 또는 RL이 마이너스이거나, 조작자에 의해 제동이 시작될 때 실행되는 것을특징으로 하는 하이브리드 차량.
  13. 제1항에 있어서, 로드휘일에 사용할 수 있는 엔진으로부터의 전체토오크는 조합된 제1모터 및 제2모터로부터의 전체토오크 보다 크지 않은 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량.
  14. 제1항에 있어서, 상기 주전동모터의 최대속도는 최대 엔진속도의 적어도 150%인 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량.
  15. 제1항에 있어서, 내연기관에 의한 토오크출력을 증가시키기 위해 상기 제어기로부터의 신호제어에 응답하여 작동가능한 과급기를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제어기는 순간도로부하가 정상출력되는 최대 토오크출력을 설정시간 이상으로 초과할 때만, 엔진의 최대 출력토오크를 증가시키면서 과급기를 작동시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량.
  17. 제15항에 있어서, 상기 제어기에는 차량에 전달되는 순간도로부하와 배터리충전상태를 포시하는 신호가 제공되며, 상기 제어기는 차량이 이러한 신호에 응답하여 다수의 작동모드로 작동될 수 있도록 엔진과 클러치와 제1모터 및 제2모터와과급기의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량.
  18. 제17항에 있어서, 도로부하(RL)는 정상출력중 엔진의 최대토오크출력(MTO)에 대한 비율로 표시되며; 상기 작동모드는 저속모드(Ⅰ)와, 고속도로 주행모드(Ⅳ)와 가속모드(Ⅴ)와, 고출력모드(Ⅵ)를 포함하며;
    상기 저속모드에서, RL<SP일 때 차량은 배터리뱅크로부터 공급된 에너지에 응답하여 주전동모터에 의해 제공된 토오크에 의해 추진되고, 상기 SP는 설정된 MTO비율로 표시된 설정점이며;
    상기 고속도로 주행모드에서, SP<RL<MTO의 100%일 때 차량은 연소가능한 연료의 공급에 응답하여 상기 엔진에 의해 제공된 토오크에 의해 추진되며;
    상기 가속모드에서, RL>MTO의 100%일 때 차량은 연소가능한 연료의 공급에 응답하여 상기 엔진에 의해 제공된 토오크와 상기 배터리뱅크로부터 공급된 에너지에 응답하여 주전동모터에 의해 제공된 토오크에 의해 추진되며;
    상기 고출력모드에서, 상기 과급기는 RL>MTO의 100%가 설정시간(T) 이상일 때 연소가능한 연료의 공급에 응답하여 엔진에 의해 제공된 토오크로 추진될 수 있도록 작동되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량.
  19. 제18항에 있어서, 상기 클러치는 저속모드(Ⅰ)에서 분리되고, 고속도로 주행모드(Ⅳ)와 가속모드(Ⅴ)와 고출력모드(Ⅵ)에서는 결합되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량.
  20. 제18항에 있어서, 배터리뱅크의 충전상태에 응답하여 시간(T)이 제어되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량.
  21. 다수의 상이한 모드로 작동가능한 하이브리드 차량의 작동을 제어하는 방법에 있어서, 상기 차량은 토오크를 최대토오크출력(MTO)까지 제공하며 클러치에 의해 차량의 로드휘일에 제어가능하게 연결되는 내연기관과, 상기 차량의 로드휘일에 연결되어 발전기로서 작동가능한 주전동모터와, 상기 엔진에 연결되어 발전기로서 작동가능한 시동모터와, 전기에너지를 제공하며 상기 모터들로부터의 에너지를 수용하는 배터리뱅크와, 엔진과 클러치와 제1모터 및 제2모터의 동작을 제어하고 모터와 배터리뱅크 사이의 전기에너지흐름을 제어하는 제어기를 포함하는, 하이브리드 차량의 작동을 제어하는 방법에 있어서,
    상기 제어기는 저속모드(Ⅰ)와 고속도로 주행모드(Ⅳ)와 가속모드(Ⅴ) 사이에서 차량의 작동모드에 대한 선택을 제어하며, 차량을 추진시키는 토오크는 차량의 순간토오크 요구사항(RL)의 관찰에 응답하여 주전동모터와 엔진에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 작동을 제어하는 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 제어기는 RL<SP일 때 차량을 저속모드에서 작동시키고, SP<RL<MTO의 100%일 때 차량을 고속도로 주행모드로 작동시키고, RL>MTO의 100%일 때 차량을 가속모드로 작동시키며, 상기 SP는 설정된 MTO비율로 표시된 설정점인 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 작동을 제어하는 방법.
  23. 제22항에 있어서, 저속모드(Ⅰ)에서는 클러치를 분리시키고, 고속도로 주행모드(Ⅳ) 및 가속모드(Ⅴ)에서는 클러치를 결합시키는 단계를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 작동을 제어하는 방법.
  24. 제22항에 있어서, 상기 제어기는 RL<SP이고 배터리뱅크의 충전상태가 설정레벨 이하일 때 작동되는 저속 배터리충전모드(Ⅱ)에서 차량이 작동되도록 차량을 부가로 제어하므로써, 상기 차량은 배터리뱅크로부터 공급된 에너지에 응답하여 주전동모터에 의해 제공된 토오크로 추진되며; 상기 배터리뱅크는 시동모터로부터의 전기에너지공급과 동시에 충전되며; 상기 시동모터는 연소가능한 연료공급에 응답하여 엔진에 의한 토오크로 구동되며; 상기 클러치는 저속 배터리충전모드(Ⅱ)중에는 분리되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 작동을 제어하는 방법.
  25. 제22항에 있어서, 제어기에 의해 차량의 동작패턴을 반복관찰하고 이에 따라 설정점(SP)을 변화시키는 단계를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 작동을 제어하는 방법.
  26. 제22항에 있어서, 상기 제어기는 저속모드(Ⅰ)와 고속도로 주행모드(Ⅳ) 사이에서의 전이가 오직 RL>SP 또는 RL>SP2일 때만 설정시간동안 이루어지도록, RL을반복관찰하고 저속모드(Ⅰ)와 고속도로 주행모드(Ⅳ) 사이의 전이를 제어하는 단계를 부가로 포함하며, 상기 SP2는 SP 보다 큰 MTO비율인 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 작동을 제어하는 방법.
  27. 제22항에 있어서, 상기 제어기는 전이가 RL>SP일 때만 설정시간동안 이루어지도록, RL을 반복관찰하고 저속모드(Ⅰ)와 고속도로 주행모드(Ⅳ) 사이의 전이를 제어하는 단계를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 작동을 제어하는 방법.
  28. 제22항에 있어서, 상기 제어기는 RL을 반복관찰하고, 저속모드(Ⅰ)의 작동으로부터 RL에서 급격한 증가가 검출되는 가속모드(Ⅴ)로의 직접적인 전이를 제어하는 단계를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 작동을 제어하는 방법.
  29. 제22항에 있어서, 상기 제어기는 필요한 주행속도의 조작자입력값을 수용한 후 차량속도를 일정하게 유지하기 위해 RL의 변화에 따라 순간적인 엔진토오크출력을 제어하며, 조작자가 필요로 하는 주행속도가 더 이상 필요하지 않다는 신호를 제공할 때까지 저속모드(Ⅰ)로의 전이를 방지하는 단계를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 작동을 제어하는 방법.
  30. 제22항에 있어서, 엔진의 순간토오크출력이 RL 보다 클 때, 또는 RL이 마이너스이거나, 조작자에 의해 제동이 시작될 때 배터리뱅크의 재충전을 실행하는 단계를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 작동을 제어하는 방법.
  31. 제22항에 있어서, 상기 모터는 엔진의 최대 토오크출력과 적어도 동일한 최대토오크를 제공하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 작동을 제어하는 방법.
  32. 제22항에 있어서, 상기 주전동모터의 최대속도는 최대 엔진속도의 적어도 150%인 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 작동을 제어하는 방법.
  33. 제22항에 있어서, 상기 하이브리드 차량은 필요에 따라 엔진의 최대 토오크출력을 MTO 보다 증가시키기 위해 상기 엔진에 제어가능하게 연결되는 과급기를 부가로 포함하며, 상기 제어기는 순간토오크 요구사항(RL)의 관찰에 응답하여 저속모드(Ⅰ)와 고속도로 주행모드(Ⅳ)와 가속모드(Ⅴ)와 과급모드(Ⅵ) 사이에서 차량의 작동모드에 대한 선택을 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 작동을 제어하는 방법.
  34. 제33항에 있어서, 상기 제어기는 RL<SP일 때 차량을 저속모드에서 작동시키고, SP<RL<MTO의 100%일 때 차량을 고속도로 주행모드로 작동시키고, RL>MTO의 100%일 때 차량을 가속모드로 작동시키며, RL>MTO의 100%가 설정시간(T) 이상일 때 차량을 고출력모드(Ⅵ)로 작동시키고, 상기 SP는 설정된 MTO비율로 표시된 설정점인 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 작동을 제어하는 방법.
  35. 제34항에 있어서, 상기 시간(T)은 배터리뱅크의 충전상태에 응답하여 제어되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 작동을 제어하는 방법.
  36. 제33항에 있어서, 저속모드(Ⅰ)에서는 클러치를 분리시키고, 고속도로 주행모드(Ⅳ)와 가속모드(Ⅴ) 및 고출력모드(Ⅵ)에서는 클러치를 결합시키는 단계를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 작동을 제어하는 방법.
  37. 다수의 상이한 모드로 작동가능한 하이브리드 차량의 작동을 제어하는 방법에 있어서, 상기 차량은 토오크를 최대토오크출력(MTO)까지 제공하며 클러치에 의해 차량의 로드휘일에 제어가능하게 연결되는 내연기관과, 상기 차량의 로드휘일에 연결되어 발전기로서 작동가능한 주전동모터와, 상기 엔진에 연결되어 발전기로서 작동가능한 시동모터와, 전기에너지를 제공하며 상기 모터들로부터의 에너지를 수용하는 배터리뱅크와, 엔진과 클러치와 제1모터 및 제2모터의 동작을 제어하고 모터와 배터리뱅크 사이의 전기에너지흐름을 제어하는 제어기를 포함하는, 하이브리드 차량의 작동을 제어하는 방법에 있어서,
    상기 제어기는 저속모드(Ⅰ)와 고속도로 주행모드(Ⅳ) 사이에서 차량의 작동모드에 대한 선택을 제어하며, 차량을 추진시키는 토오크는 차량의 순간토오크 요구사항(RL)의 관찰에 응답하여 주전동모터나 엔진에 의해 제공되며,
    제어기가 차량이 저속모드(Ⅰ)로부터 고속도로 주행모드(Ⅳ)로의 전이가 적합한 것으로 결정하였을 때, 상기 제어기는 최소한 적어도 300RPM의 속도로 시동되기 위해 엔진을 회전시키도록 시동모터를 제어하며; 상기 클러치는 엔진이 토오크를 효율적으로 생산하는 속도로 주행될 때까지 엔진으로부터의 토오크를 로드휘일로 공급하기 위해 결합되지 않는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 작동을 제어하는 방법.
  38. 제37항에 있어서, 상기 차량은 엔진으로부터의 유해물질을 무해한 물질로 전환시겨 감축시키는 촉매가 구비된 촉매컨버터를 부가로 포함하며, 상기 촉매컨버터는 제어기에 의해 촉매를 유효온도로 가열하는 히터를 포함하며, 제어기가 차량이 저속모드(Ⅰ)로부터 고속도로 주행모드(Ⅳ)로의 전이가 적합한 것으로 결정하였을 때, 상기 제어기는 시동을 위해 엔진을 회전시키는 시동모터를 제어하기 전에 필요할 경우 상기 촉매를 최소한의 유효작동온도로 가열하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 작동을 제어하는 방법.
  39. 토오크를 최대토오크출력(MTO)까지 제공하며 클러치에 의해 차량의 로드휘일에 제어가능하게 연결되는 내연기관과, 발전기로서 작용할 수 있으며 상기 차량의로드휘일에 연결된 적어도 하나의 주전동모터와, 전기에너지를 제공하며 상기 모터로부터의 에너지를 수용하는 배터리뱅크와, 엔진과 적어도 하나의 모터의 동작을 제어하고 모터와 배터리뱅크 사이의 전기에너지흐름을 제어하는 제어기와, 상기 모터와 배터리뱅크 사이에 연결되는 적어도 하나의 제어가능한 인버터/충전기를 포함하며; 상기 제어가능한 인버터/충전기는 배터리뱅크로부터의 에너지에 응답하여 모터를 작동시켜 추진토오크를 로드휘일에 공급하기 위해, 또한 로드휘일로부터 모터로 전동된 토오크를 배터리뱅크의 충전에 필요한 에너지로 전환하기 위해, 상기 제어기로부터의 지령에 응답하여 제어가능하게 절환되는 다수의 소자쌍을 포함하는, 다수의 작동모드로 작동가능한 하이브리드 차량에 있어서,
    상기 배터리뱅크는 음극과 양극을 갖는 2개의 분리된 배터리서브탱크로 형성되며, 상기 서브탱크중 한쪽 서브탱크에 있는 양극은 차량새시 연결부에서 다른쪽 서브탱크의 양극에 연결되며, 상기 배터리서브탱크의 반대극은 적어도 하나의 인버터/충전기의 소자쌍을 횡단하여 연결되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량.
  40. 토오크를 최대토오크출력(MTO)까지 제공하며 클러치에 의해 차량의 로드휘일에 제어가능하게 연결되는 내연기관과, 발전기로서 작용할 수 있으며 상기 차량의 로드휘일에 연결된 적어도 하나의 주전동모터와, 전기에너지를 제공하며 상기 모터로부터의 에너지를 수용하는 배터리뱅크와, 엔진과 적어도 하나의 모터의 동작을 제어하고 모터와 배터리뱅크 사이의 전기에너지흐름을 제어하는 제어기와, 상기 모터와 배터리뱅크 사이에 연결되는 적어도 하나의 제어가능한 인버터/충전기를 포함하며; 상기 제어가능한 인버터/충전기는 배터리뱅크로부터의 에너지에 응답하여 모터를 작동시켜 추진토오크를 로드휘일에 공급하기 위해, 또한 로드휘일로부터 모터로 전동된 토오크를 배터리뱅크의 충전에 필요한 에너지로 전환하기 위해, 상기 제어기로부터의 지령에 응답하여 제어가능하게 절환되는 다수의 소자쌍을 포함하는, 다수의 작동모드로 작동가능한 하이브리드 차량에 있어서,
    상기 배터리뱅크는 절환장치로부터 동력이 차단되는 경우 배터리들이 서로 전기적으로 절연되도록, 상기개방된 절환장치에 의해 연결되는 다수의 배터리 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량.
  41. 토오크를 최대토오크출력(MTO)까지 제공하며 클러치에 의해 차량의 로드휘일에 제어가능하게 연결되는 내연기관과, 발전기로서 작용할 수 있으며 상기 차량의 로드휘일에 연결된 적어도 하나의 주전동모터와, 전기에너지를 제공하며 상기 모터로부터의 에너지를 수용하는 배터리뱅크와, 엔진 및 적어도 하나의 모터의 동작을 제어하고 모터와 배터리뱅크 사이의 전기에너지흐름을 제어하는 제어기와, 상기 모터와 배터리뱅크 사이에 연결되는 적어도 하나의 제어가능한 인버터/충전기를 포함하며; 상기 제어가능한 인버터/충전기는 배터리뱅크로부터의 에너지에 응답하여 모터를 작동시켜 추진토오크를 로드휘일에 공급하기 위해, 또한 로드휘일로부터 모터로 전동된 토오크를 배터리뱅크의 충전에 필요한 에너지로 전환하기 위해, 상기 제어기로부터의 지령에 응답하여 제어가능하게 절환되는 다수의 소자쌍을 포함하는, 다수의 작동모드로 작동가능한 하이브리드 차량에 있어서,
    상기 모터는 적어도 4개의 상(phase)을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량.
  42. 토오크를 최대토오크출력(MTO)까지 제공하며 클러치에 의해 차량의 로드휘일에 제어가능하게 연결되는 내연기관과, 발전기로서 작용할 수 있으며 상기 차량의 로드휘일에 연결된 적어도 하나의 주전동모터와, 전기에너지를 제공하며 상기 모터로부터의 에너지를 수용하는 배터리뱅크와, 엔진과 적어도 하나의 모터의 동작을 제어하고 모터와 배터리뱅크 사이의 전기에너지흐름을 제어하는 제어기와, 상기 모터와 배터리뱅크 사이에 연결되는 적어도 하나의 제어가능한 인버터/충전기를 포함하며; 상기 제어가능한 인버터/충전기는 배터리뱅크로부터의 에너지에 응답하여 모터를 작동시켜 추진토오크를 로드휘일에 공급하기 위해, 또한 로드휘일로부터 모터로 전동된 토오크를 배터리뱅크의 충전에 필요한 에너지로 전환하기 위해, 상기 제어기로부터의 지령에 응답하여 제어가능하게 절환되는 다수의 소자쌍을 포함하는, 다수의 작동모드로 작동가능한 하이브리드 차량에 있어서,
    상기 모터는 제로 RPM으로부터 기본속도까지 일정한 토오크를 제공하고, 기본속도와 최대속도 사이의 속도에서 일정한 동력을 제공할 수 있도록, 상기 제어기에 의해 제공되는 제어신호에 응답하여 인버터/충전기에 의해 작동되며; 상기 기본속도와 최대속도 사이의 비율은 약 3:1 내지 6:1인 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량.
  43. 제42항에 있어서, 상기 모터의 최대속도는 최대 엔진속도의 적어도 150%인 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량.
  44. 정상출력되는 최대 토오크출력까지 토오크를 제공하는 내연기관과,
    발전기로서 작용할 수 있으며 차량의 로드휘일에 연결되는 적어도 하나의 주전동모터와,
    전기에너지를 제공하며 상기 모터로부터의 에너지를 수용하는 배터리뱅크와,
    상기 모터와 배터리뱅크 사이에 연결되는 적어도 하나의 제어가능한 인버터/충전기와,
    엔진과 적어도 하나의 모터의 동작을 제어하고 모터와 배터리뱅크 사이의 전기에너지흐름을 제어하는 제어기를 포함하며,
    상기 엔진은 엔진출력의 최대토오크를 MTO 이상으로 증가시키기 위해 제어신호에 응답하여 작동되는 과급기를 포함하며, 상기 엔진은 토오크전동을 위한 클러치를 통해 차량의 로드휘일에 연결되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량.
  45. 제44항에 있어서, 상기 제어기에는 차량에 전달된 순간도로부하 및 배터리뱅크의 충전상태를 표시하는 신호가 제공되며, 상기 제어기는 상기 신호에 응답하여 차량이 다수의 작동모드를 작동될 수 있도록 엔진과 클러치와 적어도 하나의 모터와 과급기의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량.
  46. 제45항에 있어서, 도로부하(RL)는 정상출력중 엔진의 최대토오크출력(MTO)에 대한 비율로 표시되며; 상기 작동모드는 저속모드(Ⅰ)와, 고속도로 주행모드(Ⅳ)와 가속모드(Ⅴ)와, 고출력모드(Ⅵ)를 포함하며;
    상기 저속모드에서, RL<SP일 때 차량은 배터리뱅크로부터 공급된 에너지에 응답하여 주전동모터에 의해 제공된 토오크에 의해 추진되고, 상기 SP는 설정된 MTO비율로 표시된 설정점이며;
    상기 고속도로 주행모드에서, SP<RL<MTO의 100%일 때 차량은 연소가능한 연료의 공급에 응답하여 상기 엔진에 의해 제공된 토오크에 의해 추진되며;
    상기 가속모드에서, RL>MTO의 100%일 때 차량은 연소가능한 연료의 공급에 응답하여 상기 엔진에 의해 제공된 토오크와 상기 배터리뱅크로부터 공급된 에너지에 응답하여 주전동모터에 의해 제공된 토오크에 의해 추진되며;
    상기 고출력모드에서, 상기 과급기는 RL>MTO의 100%가 설정시간(T) 이상일 때 연소가능한 연료의 공급에 응답하여 엔진에 의해 제공된 토오크로 추진될 수 있도록 작동되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량.
  47. 제46항에 있어서, 상기 클러치는 저속모드(Ⅰ)에서 분리되고, 고속도로 주행모드(Ⅳ)와 가속모드(Ⅴ)와 고출력모드(Ⅵ)에서는 결합되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량.
  48. 제46항에 있어서, 상기 시간(T)은 배터리뱅크의 충전상태에 응답하여 제어되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량.
  49. 제44항에 있어서, 상기 엔진으로부터의 토오크는 제1로드휘일세트로 전동되고, 적어도 하나의 모터로부터의 토오크는 제2로드휘일세트로 전동되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량.
  50. 제44항에 있어서, 상기 제어기로부터의 제어신호에 응답하여 엔진을 시동시키기 위해, 제2모터가 제공되어 상기 엔진에 결합되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량.
  51. 내연기관과, 시동모터/충전모터 및 주전동모터와, 하이브리드 차량의 배터리뱅크간의 상대적 크기를 결정하는 방법에 있어서,
    중간에 트레일러가 없는 차량을 완만한 경사면을 따라 구동시킬 수 있는 토오크를 갖는 내연기관을 선택하는 단계와,
    배터리충전중 최대 엔진토오크출력의 70%와 동일한 엔진부하를 제공하도록 시동모터/충전모터의 크기를 결정하는 단계와,
    휴지상태로 특정된 최대등급을 극복하기 위해 필요시 시동기모터의 도움을 받아 제로속도에서 적절한 토오크를 제공하는 주전동모터의 크기를 결정하는 단계와,
    엔진으로부터의 토오크를 사용하지 않고서도 편안한 도시주행을 허용하기 위해 주전동모터의 토오크 대 속도 프로필을 설정하는 단계와,
    과도하게 빈번한 방전 및 충전사이클을 피할 수 있는 배터리용량을 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 상대적 크기 결정방법.
  52. 제51항에 있어서, 상기 엔진은 고출력에서 작동이 길어질 동안 엔진의 최대 토오크출력을 증가시키도록 제어되는 과급기를 포함하며, 상기 과급기는 엔진의 최대 토오크출력을 적어도 25% 증가시키는 것을 특징으로 하는 상대적 크기 결정방법.
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