KR20200112117A - 하이브리드자동차 전력시스템 - Google Patents

하이브리드자동차 전력시스템 Download PDF

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김민환
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Abstract

본 발명은 엔진(150)의 구동에 의해 발전하도록 엔진(150)에 접속된 고전압발전기(110)와, 인버터(120)를 거쳐 상기 고전압발전기(110)에 접속되며 차량의 구동륜을 구동하는 구동모터(140)에 접속되어 인버터(120)를 거쳐 구동모터(140)에 전력을 공급하는 고전압배터리(130)와, 엔진(150)의 배기가스에 의해 발전되도록 배기가스 배출관(192)에 접속된 저전압발전기(160)와, 상기 저전압발전기(160)에 접속되어 충전되며 충전된 전력을 보조전장부하(180)에 공급하도록 보조전장부하(180)에 접속된 저전압배터리(170)를 포함하는 하이브리드자동차 전력시스템(100)에 관한 것이다.

Description

하이브리드자동차 전력시스템{A Electric Power System Of HEV}
본 발명은 하이브리드자동차 전력시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 엔진의 구동 출력에 주는 영향을 최소화하면서 전력변환으로 인한 전력 손실이 발생하지 않고, 소모되는 에너지가 회수되어 전력원으로 사용되는 하이브리드자동차 전력시스템에 관한 것이다.
가솔린이나 디젤과 같은 화석 연료를 연료로 사용하는 내연기관 자동차의 배기 가스로 인한 환경 오염, 이산화탄소로 인한 지구온난화, 오존 생성 등으로 인한 호흡기 질환 유발 등의 문제점이 발생하였다. 또한, 화석 연료는 그 양이 한정되어 있어 고갈의 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 전기 모터를 구동시켜 주행하는 순수 전기자동차(Electric Vehicle, EV)나, 엔진과 전기모터로 주행하는 하이브리드자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 연료전지에서 생성되는 전력으로 전기모터를 구동시켜 주행하는 연료전지 자동차(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV) 등의 친환경 자동차가 개발되고 있다.
하이브리드자동차에서는, 비교적 고전압(예를 들어 500V 정도)의 주행용인 고전압 배터리(20)와는 별도로, 저전압(예를 들어 24V)의 직류 전력이 축전된 차량 탑재 전장품용 저전압 배터리(40)가 구비된다. 상기 저전압 배터리(40)로부터의 전력 공급에 의해 차량의 헤드 램프나 스톱 램프 등의 전장품, 에어컨디셔너의 압축기나 콘덴서 등의 공조계 전장품, 오디오 등의 음향 전장품 혹은 각종 제어기, 브레이크용 진공 펌프 등의 제어계 전장품 등의 차량 탑재 전장품(41)은 작동된다.
도 1은 하이브리드자동차 전력시스템의 전기 회로를 개략적으로 도시한 것으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 차량의 구동륜(미도시)에 동력 전달 가능하게 연결된 구동모터(10)에는 인버터(11)를 거쳐 고전압 배터리(20)가 연결되어 있다. 발전기(50)는 엔진(60)의 구동에 의해 발전하도록 엔진(50)에 접속되어 있고, 발전기 제어기(미도시)에 의해 작동이 제어되고, 발전 전력이 고전압 배터리(20)에 충전되도록 인버터(11)를 거쳐서 고전압 배터리(20)에 연결된다.
저전압 배터리(40)는 저전압 변환기(LDC)(30)를 거쳐 고전압 배터리(40)에 연결되고, 저전압 배터리(40)는 각종 차량 탑재 전장품(41; 보조전장부하)에 연결된다. 고전압 배터리(20)의 전력이 인버터(11)를 거쳐서 구동모터(10)에 공급되어 모터(10)가 회전 구동되고, 구동모터(10)에 연결된 차량 구동륜이 회전되어 주행된다. 고전압 배터리(20)에 축전된 전력이 감소하면, 엔진(60)을 작동시켜 발전기 제어기(도시하지 않음)의 제어에 의해 발전기(50)를 작동시키고, 발전한 전력은 고전압 배터리(20)에 축전된다.
상기 저전압 배터리(40)에는 고전압 배터리(20)에 축전된 전력이 저전압 변환기(LDC)(30)에 의해 저전압으로 변환되어 축전된다. 상기 저전압 배터리(40)로부터의 전력 공급에 의해 각종 차량 탑재 전장품(41)이 작동된다.
상기와 같은 종래 기술에 의한 하이브리드자동차 전력시스템은 고전압 배터리(20)의 전력이 저전압 배터리(40)로 충전되도록 하기 위해서 저전압 변환기(LDC)(30)가 반드시 필요하며, 저전압 변환기(LDC)(30)에 의한 전압 변화에 의한 전력 손실이 발생하고, 엔진(60)의 출력 중 일부가 회수되지 못하고 낭비되는 문제점이 있었다.
대한민국 등록번호 제10-1500080호 등록특허공보
본 발명은 상기와 같은 종래 기술이 가지는 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 전압 변환을 위한 저전압 변환기가 필요하지 않고 따라서 저전압 변환기에 의한 전력 손실이 발생하지 않고, 엔진의 낭비되는 출력이 효과적으로 회수되어 사용되는 하이브리드자동차 전력시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 종래 기술이 가지는 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 엔진의 구동에 의해 발전하도록 엔진에 접속된 고전압발전기와, 인버터를 거쳐 상기 고전압발전기에 접속되며 차량의 구동륜을 구동하는 구동모터에 접속되어 인버터를 거쳐 구동모터에 전력을 공급하는 고전압배터리와, 엔진의 배기가스에 의해 발전되도록 배기가스 배출관에 접속된 저전압발전기와, 상기 저전압발전기에 접속되어 충전되며 충전된 전력을 보조전장부하에 공급하도록 보조전장부하에 접속된 저전압배터리를 포함하는 하이브리드자동차 전력시스템을 제공한다.
상기에서, 하이브리드 제어유닛에 연결되어 저전압배터리의 충전 상태 정보를 수집하는 배터리 제어기와, 상기 배기관에 설치되어 배기가스의 배출 압력을 조절하며 하이브리드 제어유닛에 의하여 개폐 정도가 제어되는 조절밸브가 더 포함되며; 상기 배터리 제어기로부터의 충전 상태 정보가 하이브리드 제어유닛으로 전송되고 전송된 저전압배터리 정보에 의하여 조절밸브의 개폐가 제어되는 것을 특징으로 한다.
상기에서, 저전압발전기는 배기관에 설치되어 배기관을 통하여 배출되는 배기가스에 의하여 회전하는 구동부의 회전축에 연결되어 구동부의 회전에 의하여 발전되며, 상기 구동부의 상류로 상기 조절밸브가 배기관에 설치된 것을 특징으로 한다.
상기에서, 배터리 제어기에서 센싱된 저전압배터리의 충전 상태정보와 상기 보조전장부하에서 소비되는 전력 정보로부터 조절밸브의 개폐 정도가 제어되어 구동부의 회전속도 조절되며, 저전압배터리로의 전력 충전 전압이 제어되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르는 하이브리드자동차 전력시스템에 의하면, 저전압 변환기(LDC)가 필요하지 않으므로 저전압 변환기에 의한 변환시 발생하는 전력 손실이 발생하지 않으며, 엔진에서 낭비되는 배기가스 출력을 회수하여 보조전장부하에 공급하여 활용할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 하이브리드자동차 전력시스템을 개략적으로 도시한 구조도이고,
도 2는 본 발명에 따르는 하이브리드자동차 전력시스템을 개략적으로 도시한 구조도이며,
도 3은 엔진 출력 회수를 설명하기 위하여 도시한 개략적인 구조도이다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따르는 하이브리드자동차 전력시스템에 대하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명에 따르는 하이브리드자동차 전력시스템을 개략적으로 도시한 구조도이며, 도 3은 엔진 출력 회수를 설명하기 위하여 도시한 개략적인 구조도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따르는 하이브리드자동차 전력시스템(100)은 엔진(150)의 구동에 의해 발전하도록 엔진(150)에 접속된 고전압발전기(110)와, 인버터(120)를 거쳐 상기 고전압발전기(110)에 접속되며 차량의 구동륜을 구동하는 구동모터(140)에 접속되어 인버터(120)를 거쳐 구동모터(140)에 전력을 공급하는 고전압배터리(130)와, 엔진(150)의 배기가스에 의해 발전되도록 배기가스 배출관(192)에 접속된 저전압발전기(160)와, 상기 저전압발전기(160)에 접속되어 충전되며 충전된 전력을 보조전장부하(180)에 공급하도록 보조전장부하(180)에 접속된 저전압배터리(170)를 포함한다.
상기 고전압발전기(110)는 엔진(150)의 구동에 의해 발전하도록 엔진(150)의 회전축(예, 크랭크축)에 접속되고, 발전 전력이 고전압배터리(130)에 충전되도록 인버터(120)를 거쳐서 고전압배터리(130)에 접속된다.
구동모터(140)는 차량의 구동륜(도시하지 않음)에 연결되어 구동륜을 구동하는 구성으로 인버터를 거쳐 고전압발전기에 접속되어 있다.
상기 저전압발전기(140)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 엔진(150)의 배기 가스에 의해 발전되도록 배기관(192)에 접속되어 있고, 발전된 전력이 저전압배터리(170)에 충전되도록 저전압배터리(170)에 접속된다.
본 발명에 따르는 하이브리드자동차 전력시스템(100)에서는 고전압발전기(110)는 엔진(150)의 출력축에 접속되어 엔진(150)의 작동에 의하여 발전되고 발전된 전력은 고전압의 전력을 소비하는 구동모터(140)에 공급되어 차량이 구동되며, 저전압발전기(140)는 엔진(150)의 배기관(192)으로 배기되는 배기 가스에 의하여 회전 구동되어 발전되고, 발전된 전력은 저전압(12V 또는 24V)의 전력을 소비하는 보조전장부하(180)로 공급된다. 상기 보조전장부하(180)에는 차량 스타트 모터, 에이컨, 히터, 전등 등이 포함된다.
본 발명에 따르는 하이브리드자동차 전력시스템(100)은 하이브리드 제어유닛과 같은 상위 제어기에 연결되어 하이브리드 제어유닛으로부터의 제어 명령에 의해 저전압배터리(170)의 충전 상태 정보 등을 수집하는 배터리 제어기(도시하지 않음)를 더 포함한다. 또한, 상기 배기관(192)에 설치되어 배기가스의 배출 압력을 조절하는 구성으로 하이브리드 제어유닛에 의하여 개폐 정도가 제어되는 조절밸브(193)를 더 포함한다.
상기 배터리 제어기로부터의 충전 상태 정보가 하이브리드 제어유닛으로 전송되고 전송된 저전압배터리(170)의 충전 상태 정보에 의하여 조절밸브(193)의 개폐가 제어된다.
상기 저전압발전기(160)는 배기관(192)에 설치되어 배기관(192)을 통하여 배출되는 배기가스에 의하여 회전하도록 팬을 가지는 구동부(195)의 회전축(S1)에 연결되어 구동부(195)의 회전에 의하여 회전하면서 발전한다. 상기 구동부(195)의 상류로 배기관(192)에는 하이브리드 제어유닛에 의하여 개폐 정도가 제어되는 조절밸브(193)가 설치된다.
상기 배터리 제어기에서 센싱된 저전압배터리(170)의 충전 상태 정보와 상기 보조전장부하(180)에서 소비되는 전력 정보로부터 조절밸브(193)의 개폐 정도가 제어되어 구동부(195)의 회전속도가 조절되며, 저전압배터리(170)로의 전력 충전 전압이 제어되고 따라서, 저전압배터리(170)로 충전되는 전력이 제어된다.
저전압배터리(170)의 정격 전압이 24V, 최적 입력 전압이 28.5V±3V인 배터리인 경우, 저전압발전기(160)의 출력 전압은 28.5V가 되도록 조절밸브(193)의 개폐가 제어된다. 저전압배터리(170)에 충분한 충전이 이루어지면, 조절밸브(193)가 열리고, 이에 따라 배기관(192)을 통하여 배출되는 배기가스의 속도가 감소하며, 엔진(150)에 걸리는 배기 가스 배출을 위한 부하도 감소한다.
조절밸브(193)가 열리면 배기 가스의 배출속도가 감소하고 구동부(195)의 회전 속도가 감소하여 저전압발전기(160)의 출력 전압이 감소하고 저전압배터리로(170)의 충전 전력도 감소하며, 조절밸브(193)에 의한 엔진(150)의 배기 가스 배출을 위한 부하도 감소한다. 한편, 조절밸브(193)가 닫혀 배기관(192)의 배출 단면적이 감소하면, 배기 가스의 배출 속도가 증가하고 구동부(195)의 회전 속도도 증가하여 저전압발전기(160)의 출력 전압이 증가하고 저전압배터리(170)로 전력이 충전된다. 이때 조절밸브(193)가 닫힘으로써 배기관(192)의 유동 단면적이 감소하면 배기 가스 배출을 위한 엔진(150)의 부하는 증가하게 된다.
본 발명에 따르는 하이브리드자동차 전력시스템(100)에서는 엔진(150)이 구동될 때 고전압발전기(110)로부터 발전되는 한편, 배기 가스에 의하여 저전압발전기(160)도 구동되어 발전하면서 저전압배터리(170)로 충전되어 보조전장부하(180)에서 저압의 전력이 사용될 수 있으므로, 전압 강하를 위한 저전압 변환기(LDC)가 필요하지 않고 저전압 변환기(LDC)에 의한 전압 강하시 발생하는 전력 손실을 방지할 수 있다.
도 3에서 도면부호 196은 흡기관을, 199는 배기 가스가 배출되는 재생관을, 197은 재생밸브를 도시한 것이다. 재생밸브(197)가 열리면, 재생관을 통하여 배출되는 배기 가스가 흡기관을 통하여 엔진으로 다시 유입되어 배기 가스에 포함된 불완전 연소물이 다시 엔진으로 유입되어 연소될 수 있다.
100: 하이브리드자동차 전력시스템
110: 고전압 발전기 120; 인버터
130: 고전압 배터리 140: 구동모터
150: 엔진 160: 저전압 발전기
170: 저전압 배터리 180: 보조전장부하
191: 제1 밸브 192: 배기관
193: 조압밸브 195: 구동부
196: 흡기관

Claims (4)

  1. 엔진(150)의 구동에 의해 발전하도록 엔진(150)에 접속된 고전압발전기(110)와, 인버터(120)를 거쳐 상기 고전압발전기(110)에 접속되며 차량의 구동륜을 구동하는 구동모터(140)에 접속되어 인버터(120)를 거쳐 구동모터(140)에 전력을 공급하는 고전압배터리(130)와, 엔진(150)의 배기가스에 의해 발전되도록 배기가스 배출관(192)에 접속된 저전압발전기(160)와, 상기 저전압발전기(160)에 접속되어 충전되며 충전된 전력을 보조전장부하(180)에 공급하도록 보조전장부하(180)에 접속된 저전압배터리(170)를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드자동차 전력시스템(100).
  2. 제1 항에 있어서, 하이브리드 제어유닛에 연결되어 저전압배터리(170)의 충전 상태 정보를 수집하는 배터리 제어기와, 상기 배기관(192)에 설치되어 배기가스의 배출 압력을 조절하며 하이브리드 제어유닛에 의하여 개폐 정도가 제어되는 조절밸브(193)가 더 포함되며; 상기 배터리 제어기로부터의 충전 상태 정보가 하이브리드 제어유닛으로 전송되고 전송된 저전압배터리(170) 정보에 의하여 조절밸브(193)의 개폐가 제어되는 것을 특징으로 하는 하이브리드자동차 전력시스템(100).
  3. 제2 항에 있어서, 상기 저전압발전기(160)는 배기관(192)에 설치되어 배기관(192)을 통하여 배출되는 배기가스에 의하여 회전하는 구동부(195)의 회전축(S1)에 연결되어 구동부(195)의 회전에 의하여 발전되며, 상기 구동부(195)의 상류로 상기 조절밸브(193)가 배기관(192)에 설치된 것을 특징으로 하는 하이브리드자동차 전력시스템(100).
  4. 제3 항에 있어서, 상기 배터리 제어기에서 센싱된 저전압배터리(170)의 충전 상태정보와 상기 보조전장부하(180)에서 소비되는 전력 정보로부터 조절밸브(193)의 개폐정도가 제어되어 구동부(195)의 회전속도가 조절되며, 저전압배터리(170)로의 전력 충전 전압이 제어되는 것을 특징으로 하는 하이브리드자동차 전력시스템(100).
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