KR101013469B1 - 하이브리드 차량 - Google Patents

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히로유키 반다이
도모나리 다구치
히데토 미네카와
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도요타 지도샤（주）
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Abstract

냉각 기구는 냉각 매체로서 전기 모터 냉각 기름에 의해 전기 모터(6)를 냉각시키고, 상기 냉각 기구는 전기 모터 라디에이터(34), 송출 기구(30), 및 냉각 기름 순환 경로(32)로 구성된다. 순환 경로는 전기 모터 라디에이터(34)와 전기 모터(6) 사이에 형성되고, 전기 모터(6)는 전기 모터 냉각 기름에 의해 냉각된다. 냉각 기구는 냉각 매체로서 PCU 냉각수에 의해 PCU(8)를 냉각시키고, 상기 냉각 기구는 PCU 라디에이터(44), 송출 기구(40), 및 냉각수 순환 경로(42)로 구성된다. 순환 경로는 PCU 라디에이터(44)와 PCU(8) 사이에 형성되고, PCU(8)는 PCU 냉각수에 의해 냉각된다. 송출 기구(30, 40)는 축전부(16)로부터 수신되는 전력에 의해 작동된다.

Description

하이브리드 차량{HYBRID VEHICLE}
본 발명은 엔진 및 전기 모터를 포함하는 하이브리드 차량에 관한 것이고, 특별히, 전기 모터 및 상기 전기 모터를 구동하기 위한 전력 변환부를 냉각시킬 수 있도록 구성되는 하이브리드 차량에 관한 것이다.
최근에, 친환경적인 차량으로서 하이브리드 차량이 광범위하게 주목을 받고 있다. 하이브리드 차량은 종래의 엔진에 더하여, 2차 전지와 같은 축전부 및 상기 축전부로부터의 전력에 의해 작동하는 전기 모터를 그 구동원으로서 또한 사용한다.
하이브리드 차량에서는, 전기 모터의 토크 및 회전수를 최적으로 제어함으로써 연소 효율이 향상된다. 이러한 전기 모터의 제어를 실현하기 위해서, 하이브리드 차량은 인버터와 같은 전력 변환부를 포함한다. 전력 변환부는 축전부로부터 직류(DC) 전력을 수신하고, 그것을 사전 설정된 전압, 주파수, 위상 등을 가지는 교류(AC) 전력으로 변환하여 전기 모터에 공급한다.
전기 모터에는 코일의 저항에 기인하는 구리 손실(copper loss), 또는 코어를 통과하는 교류 자속에 기인하는 철 손실(iron loss)에 의해 열이 발생된다. 또한, 전력 변환부에는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)와 같은 스위칭 소 자의 스위칭 손실(switching loss)에 의해 열이 발생된다. 여기에서, 전기 모터에서의 열 발생은 주로 구리 손실에 기인하고, 그것은 전기 모터의 출력에 따라 증가한다. 반면에, 전력 변환부에서의 스위칭 손실은, 스위칭 주파수가 동일하다면, 전력에 관계없이 대체로 일정하다. 즉, 발생되는 차량 구동력에 따라 전기 모터에서의 발열량은 변하지만, 전력 변환부에서의 발열량은 거의 변하지 않는다.
이와 같이, 하이브리드 차량에 있어서는, 엔진에 더하여, 전기 모터 및 전력 변환부를 냉각시킬 필요가 있다. 게다가, 예를 들어, 일본 특허 공개 No. 2004-112855는 냉각제 압송(press-feeding) 펌프를 구동하기 위한 전기 모터를 생략하여, 비용이 감소될 수 있고 차량의 중량이 억제되는 직렬형 하이브리드 차량을 개시한다. 하이브리드 차량은 엔진의 출력축에 연결되는 발전기; 발전기의 축에 연결되어 냉각제를 압축 및 송출하는 제1 냉각제 압송 펌프; 및 발전기의 축에 연결되어 냉각제를 압축 및 송출하는 제2 냉각제 압송 펌프를 포함한다. 제1 냉각제 압송 펌프에 의해 압축 및 송출된 냉각제는 전기 모터를 냉각시키고 제2 냉각제 압송 펌프에 의해 압축 및 송출된 냉각제는 인버터를 냉각시킨다.
직렬형 하이브리드 차량이란, 엔진의 출력축에 연결되는 발전기에 의해 전력을 받는 전기 모터만 단독으로 차량 구동력을 발생시키고 엔진은 차량 구동력을 직접적으로 발생시키지 않는 차량임을 유의한다.
일본 특허 공개 No. 2004-112855에 개시된 구성은 직렬형 하이브리드 차량, 즉, 차량이 주행하는 동안 엔진 및 발전기가 항상 작동하는 상태를 전제한다. 그러나, 실용화 되어 있는 많은 하이브리드 차량은 보다 높은 연소 효율(연비)을 실현 하기 위해, 엔진 및 전기 모터 중 어느 하나로부터도 차량 구동력을 발생시킬 수 있도록 구성되는 병렬형, 또는 병렬형의 구성에 직렬형의 요소가 추가되는 병렬/직렬형을 채용한다. 이러한 병렬형 또는 병렬/직렬형 하이브리드 차량에서는, 주행 상황에 따라 엔진이 간헐적으로 정지한다. 따라서, 일본 특허 공개 No. 2004-112855에 개시된 구성을 병렬형 및 병렬/직렬형 하이브리드 차량에 적용하는 것은 가능하지 않다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 만들어졌고, 그 목적은 각각 차량 구동력을 발생시킬 수 있도록 구성되는 엔진 및 전기 모터를 포함하는 하이브리드 차량에 있어서, 전기 모터 및 전력 변환부를 안정적으로 냉각시킬 수 있는 하이브리드 차량을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 하이브리드 차량은 각각 차량 구동력을 발생시킬 수 있도록 구성되는 엔진 및 전기 모터; 충방전될 수 있도록 구성되는 축전부; 전기 모터를 구동하기 위해 축전부로부터 수신된 전력을 변환하는 전력 변환부; 제1 냉각 매체를 매개로 하여 전기 모터를 냉각시키는 제1 냉각 기구; 및 제2 냉각 매체를 매개로 하여 전력 변환부를 냉각시키는 제2 냉각 기구를 포함한다. 제1 냉각 기구는 열교환을 실행함으로서 제1 냉각 매체를 냉각시키는 제1 열교환부; 및 제1 냉각 매체를 전기 모터 및 제1 열교환부를 포함하도록 형성되는 제1 순환 경로를 통하여 순환하게 하는 제1 송출 기구를 포함한다. 제2 냉각 기구는 열교환을 실행함으로서 제2 냉각 매체를 냉각시키는 제2 열교환부; 및 제2 냉각 매체를 전력 변환부 및 제2 열교환부를 포함하도록 형성되는 제2 순환 경로를 통과하게 하는 제2 송출 기구를 포함한다. 엔진은 주행 상황에 따라 간헐적으로 정지한다. 제1 및 제2 송출 기구는 엔진이 정지되는 경우에도 작동 가능하도록 구성된다.
본 발명에 따른 하이브리드 차량은 전기 모터를 냉각시키는 제1 냉각 기구 및 전력 변환부를 냉각시키는 제2 냉각 기구를 포함한다. 제1 및 제2 냉각 기구는 엔진이 정지되는 경우에도 작동 가능하도록 구성되는 제1 및 제2 송출 기구를 각각 포함한다. 따라서, 엔진이 정지되는 경우에도, 제1 및 제2 냉각 매체가 순환하게 되고 냉각 능력이 발휘될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 하이브리드 차량은 서로 다른 냉각 요구를 가지는 전기 모터 및 전력 변환부에 각각 대응하는 제1 및 제2 열교환부를 포함한다. 따라서, 전기 모터의 냉각 요구 및 전력 변환부의 냉각 요구를 만족시키도록 제1 및 제2 열교환부의 냉각 성능(예를 들어, 크기)을 효율적으로 설계할 수 있다.
따라서, 주행 상황에 따라 엔진이 간헐적으로 정지하는 하이브리드 차량에 있어서 전기 모터 및 전력 변환부가 안정적으로 냉각될 수 있다.
바람직하게는, 제1 및 제2 송출 기구는 전기적으로 작동한다.
바람직하게는, 제1 냉각 기구는 전기 모터를 구성하는 코일에 제1 냉각 매체를 직접 접촉시킴으로써 냉각을 달성하는 경로를 포함하도록 구성된다.
바람직하게는, 제2 냉각 기구는 제2 순환 경로에 연결되는 대향 말단(opposing end)을 구비하고, 전력 변환부를 포함하고 제2 열교환부를 포함하지 않는 경로를 통하여 제2 냉각 매체를 순환하게 할 수 있도록 형성되는 우회 경로, 전력 변환부로부터 출력되는 제2 냉각 매체가 제2 열교환부 및 우회 경로 중 어느 하나를 통과하도록, 스위칭(switching)을 실행할 수 있게 구성되는 경로 스위칭부, 및 제2 냉각 매체의 온도에 근거하여 경로 스위칭부를 제어하는 제어부를 더 포함한다.
바람직하게는, 제어부는, 제2 냉각 매체의 온도가 사전 설정된 값 이상인 경우, 전력 변환부 및 제2 열교환부를 포함하는 경로를 통하여 제2 냉각 매체의 순환을 하게 하도록 경로 스위칭부를 제어하며, 제2 냉각 매체의 온도가 사전 설정된 값 이상이 아닌 경우, 전력 변환부를 포함하고 제2 열교환부를 포함하지 않는 경로를 통하여 제2 냉각 매체의 순환을 하게 하도록 경로 스위칭부를 제어한다.
바람직하게는, 제1 냉각 매체는 기름으로 이루어져 있다.
바람직하게는, 제2 냉각 매체는 수분으로 이루어져 있다.
본 발명은 각각의 엔진 및 전기 모터가 차량 구동력을 발생시키도록 구성되는 하이브리드 차량에 있어서, 전기 모터 및 전력 변환부를 안정적으로 냉각시킬 수 있는 하이브리드 차량을 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 차량의 개략적인 구성도이며;
도 2는 송출 기구를 도시하는 보다 상세한 개략적인 구성도이며;
도 3은 전기 모터의 냉각 기구의 일부인, 전기 모터 냉각 기름의 경로를 도시하는 부분 단면도이며;
도 4는 도 3의 선 IV-IV를 따른 부분 단면도이며;
도 5는 PCU의 냉각 기구에 있어서 PCU 냉각수의 경로를 도시하는 개략도이며;
도 6은 제어 장치에 의해 실행되는 프로그램의 제어 구조를 도시하는 흐름도이다.
이하, 본 발명의 실시예가 도면을 참조하여 상세하게 설명된다. 도면에서, 동일하거나 대응하는 부분은 동일한 참조 부호로 표시되며, 그 설명은 반복되지 않는다.
도 1을 참조하면, 하이브리드 차량(100)은 엔진(2), 축전부(16), 트랜스액슬(transaxle)(1), 및 PCU(Power Control Unit)(8)를 포함한다.
엔진(2)은 가솔린과 같은 연료의 연소로부터의 열 에너지를 이용하여 구동축(10)을 회전시켜, 구동 휠(14)에 구동력이 발생된다.
축전부(16)는 PCU(8)에 전기적으로 연결되고 충방전될 수 있도록 구성된다. 예를 들어, 니켈-수소 전지 또는 리튬 이온 전지와 같은 2차 전지, 또는 전기 이중층 캐패시터와 같은 대용량의 캐패시터로 형성된다. 축전부(16)는 PCU(8)로부터 공급되는 직류 전력을 수신할 수 있고 전기 에너지를 저장한다. 또한, 축전부(16)는 저장된 전기 에너지를 직류 전력으로서 PCU(8)에 공급할 수도 있다.
트랜스액슬(1)은 일체적으로 구성된 변속기(transmission) 및 차축(axle)으로 형성되고, 전기 모터(6), 발전기(7), 및 동력 전달 기구(powertrain)(4)를 구비 한다. 트랜스액슬(1)은 공통의 구동축(10)을 매개로 하여 기계적으로 결합되는 엔진(2) 및 전기 모터(6)로부터 회전 구동력을 수신하고 그것을 휠축(12)에 전달할 수 있게 구성된다. 즉, 트랜스액슬(1)은 엔진(2) 및 전기 모터(6) 중 적어도 하나로부터 회전 구동력을 수신하고 휠축(12)을 매개로 하여 구동 휠(14)에서 차량 구동력을 발생시킨다.
전기 모터(6)는 PCU(8)에 전기적으로 연결되고, PCU(8)로부터 수신된 교류 전력에 따라 사전 설정된 토크의 회전 구동력을 발생시킨다. 전기 모터(6)는 발생된 회전 구동력을, 구동축(10)을 매개로 하여, 엔진(2)으로부터의 회전 구동력과 함께, 동력 전달 기구(4)에 전달할 수 있도록 구성된다. 하이브리드 차량(100)의 회생 제동 모드에서, 전기 모터(6)는 구동 휠(14)을 매개로 하여 공급되는 운동 에너지로부터 전기 에너지(교류 전력)를 발생시키고, 발생된 교류 전력을 PCU(8)에 공급한다. 발전기(7)는 구동축(10)의 회전 구동력의 일부를 수신하고 교류 전력을 발생시키고, 교류 전력을 PCU(8)에 공급한다. 예를 들어, 전기 모터(6) 및 발전기(7)는 3-상 교류 전력과 동시에 일어나 회전하는 동기(synchronous) 모터이고, 특히, 영구 자석이 매입되는 회전자(rotor)를 가지는 영구 자석형 동기 모터로 이루어진다.
동력 전달 기구(4)는 구동축(10) 및 휠축(12) 사이에 배치되어 구동축(10)을 매개로 하여 입력되는 회전 구동력을 휠축(12)에 전달하고, 또한 그 회전 구동력의 일부를 발전기(7)에도 전달한다. 구체적으로, 동력 전달 기구(4)는 유성 기어와 같은 변속 기구로서 기능도 하는 동력 분할 기구를 포함하고, 도시되지 않은 외부 ECU(Electrical Control Unit) 등으로부터의 변속 지령에 따라, 구동축(10)으로부터의 입력 회전수에 대한 휠축(12)의 출력 회전수의 비율(기어비)을 변화시킨다.
도시되지 않은 외부 ECU 등으로부터의 토크 지령, 회전수 지령 등에 따라서, PCU(8)는 축전부(16)로부터 공급되는 직류 전력을 사전 설정된 전압, 주파수 및 위상을 가지는 교류 전력으로 변환하고 트랜스액슬(1)의 전기 모터(6)에 공급한다. 또한, 회생 제동에서는, 전기 모터(6)에 의해 발생되는 교류 전력을 변환하고 축전부(16)를 충전한다. 더욱이, PCU(8)는 발전기(7)로부터 공급되는 교류 전력을 수신하고 전기 모터(6) 및 축전부(16) 중 적어도 하나에 그것을 공급한다. PCU(8)는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) 등과 같은 스위칭 소자를 포함하는 3-상 브리지 회로(bridge circuit) 등으로 이루어진다.
상술된 하이브리드 차량(100)에서, 주행 상황에 따라 엔진(2)은 간헐적으로 정지된다. 구체적으로, 운전자에 의해 조작되는 가속 페달의 누름량(press-down amount), 브레이크 페달의 누름량, 변속 레버의 선택 위치 등에 따라서, 도시되지 않은 ECU는 엔진(2) 및 전기 모터(6)의 필요한 차량 구동력을 결정하고, 엔진(2)에 대한 차량 구동력의 요구값이 0인 경우에는 엔진(2)을 정지시킨다. 차량 속도가 사전 설정된 값 이상인 경우, 또는 급격한 가속이 요구되는 경우에는, ECU는 엔진(2)에 의해 차량 구동력이 발생되도록 엔진(2)을 시동시킨다.
하이브리드 차량(100)은 엔진 라디에이터(radiator)(20), 라디에이터 팬(24), 냉각수 순환 경로(22), 전기 모터 라디에이터(34), 냉각 기름 순환 경로(32), 송출 기구(30), PCU 라디에이터(44), 냉각수 순환 경로(42), 우회 경로(48), 스위치 밸브(46), 송출 기구(40), 온도 검출부(52), 및 제어 장치(50)를 더 포함한다.
엔진 라디에이터(20)는 하이브리드 차량(100)의 전방측에 배치되는 열교환부이고, 냉각수 순환 경로(22)를 매개로 하여 엔진(2) 사이에서 순환 경로를 형성한다. 순환 경로를 통하여, 알코올(에틸렌 글리콜(ethylene glycol) 등), 방청제(rust-inhibitor) 등을 함유하는 엔진 냉각수가 순환한다. 엔진 라디에이터(20)는 차량이 주행함에 따라 생성되는 기류를 받아, 내부를 흐르는 엔진 냉각수와 대기 사이의 열교환을 실행하여, 그로 인해 엔진 냉각수를 냉각(방열)시킨다. 즉, 엔진 냉각수는 엔진(2)으로부터 열을 흡수(엔진(2)을 냉각)하고, 흡수된 열을 엔진 라디에이터(20)로부터 방열한다. 이러한 과정을 통하여, 엔진(2)이 냉각된다.
라디에이터 팬(24)은, 예를 들어, 엔진 라디에이터(20)에 대하여 상대적으로 차량 후방측에 배치되고, 차량의 후방측으로부터 엔진 라디에이터(20)를 향하여 기류를 발생시켜, 그로 인해 엔진 라디에이터(20)에 있어서 열교환 효율을 향상시킨다.
전기 모터 라디에이터(34), 송출 기구(30) 및 냉각 기름 순환 경로(32)는 냉각 매체인 전기 모터 냉각 기름을 매개로 하여 전기 모터(6)를 냉각하기 위한 냉각 기구를 구성한다.
전기 모터 라디에이터(34)는, 예를 들어, 엔진 라디에이터(20)에 대하여 상대적으로 더욱 차량 전방측에 배치되는 열 교환부이다. 전기 모터 라디에이터(34) 는 냉각 기름 순환 경로(32)를 매개로 하여 전기 모터(6) 사이에서 순환 경로를 형성한다. 순환 경로를 통하여, 전기 모터 냉각 기름이 순환한다. 전기 모터 라디에이터(34)는 차량이 주행함에 따라 생성되는 기류를 받아, 내부를 흐르는 전기 모터 냉각 기름과 대기 사이의 열교환을 실행하여, 그로 인해 전기 모터 냉각 기름을 냉각(방열)시킨다. 즉, 전기 모터 냉각 기름은 전기 모터(6)로부터 열을 흡수(전기 모터(6)를 냉각)하고, 흡수된 열을 전기 모터 라디에이터(34)로부터 방열한다. 송출 기구(30)는 냉각 기름 순환 경로(32)에 개재된다. 송출 기구(30)는, 전기 모터 냉각 기름이 냉각 기름 순환 경로(32)를 통과하도록, 그 한쪽 말단에서는 전기 모터 냉각 기름을 받아 압력을 가하고, 다른 말단으로부터 결과물을 송출한다. 송출 기구(30)의 상세한 구성은 후술될 것이다.
한편, PCU 라디에이터(44), 송출 기구(40) 및 냉각수 순환 경로(42)는 냉각 매체인 PCU 냉각수를 매개로 하여 PCU(8)를 냉각하기 위한 냉각 기구를 구성한다.
PCU 라디에이터(44)는, 예를 들어, 엔진 라디에이터(20)에 대하여 상대적으로 더욱 차량 전방측에 배치되는 열교환부이다. PCU 라디에이터(44)는 냉각수 순환 경로(42)를 매개로 하여 PCU(8) 사이에서 순환 경로를 형성한다. 순환 경로를 통하여, 상술된 엔진 냉각수와 유사하게, 알코올(에틸렌 글리콜), 방청제 등을 함유하는 PCU 냉각수가 순환한다. PCU 라디에이터(44)는 차량이 주행함에 따라 생성되는 기류를 받아, 내부를 흐르는 PCU 냉각수와 대기 사이의 열교환을 실행하여, 그로 인해 PCU 냉각수를 냉각(방열)시킨다. 즉, PCU 냉각수는 PCU(8)로부터 열을 흡수(PCU(8)를 냉각)하고, 흡수된 열을 PCU 라디에이터(44)로부터 방열한다. 송출 기 구(40)는 냉각수 순환 경로(42)에 개재된다. 송출 기구(40)는, PCU 냉각수가 PCU 냉각수 순환 경로(42)를 통과하도록, 그 한쪽 말단에서는 PCU 냉각수를 받아 압력을 가하고, 다른 말단으로부터 결과물을 송출한다. 송출 기구(40)의 상세한 구성은 후술될 것이다.
PCU(8)의 냉각 기구는 우회 경로(48), 스위치 밸브(46), 온도 검출부(52), 및 제어 장치(50)를 더 포함한다.
우회 경로(48)는 냉각수 순환 경로(42)에 연결되는 대향 말단을 구비하고, PCU 냉각수가 PCU(8)를 포함하고 PCU 라디에이터(44)를 포함하지 않는 경로를 순환하게 한다. 스위치 밸브(46)는 냉각수 순환 경로(42)와 우회 경로(48) 사이의 연결부에 개재된다. 제어 장치(50)로부터의 제어 지령에 따라서, 스위치 밸브(46)는, PCU(8)로부터 출력되는 PCU 냉각수가 PCU 라디에이터(44) 및 우회 경로(48) 중 하나를 통과하도록 경로를 스위칭한다. 즉, 스위치 밸브(46)가 PCU 라디에이터(44)로의 경로를 선택하는 경우, PCU(8)로부터 출력되는 PCU 냉각수는 송출 기구(40)에 의해 송출되고, PCU 라디에이터(44)에 의하여 냉각된다. 반면, 스위치 밸브(46)가 우회 경로(48)의 경로를 선택하는 경우, PCU(8)로부터 출력되는 PCU 냉각수는 PCU(8) 및 우회 경로(48)를 포함하는 경로를 통하여 순환하므로 냉각되지 않는다.
온도 검출부(52)는 송출 기구(40)와 스위치 밸브(46) 사이에 배치되고, 그 부분을 통과하는 PCU 냉각수의 온도를 검출하고, 검출 결과를 제어 장치(50)로 출력한다. 제어 장치(50)는, PCU(8)를 효율적으로 냉각시키기 위해, 후술되는 제어 구조에 따라서, 온도 검출부(52)로부터의 검출 결과에 근거하여 스위치 밸브(46)에 제어 지령을 제공한다. 예를 들어, 제어 장치(50)는 ECU로 형성된다.
도 2를 참조하면, 송출 기구(30)는 송출 펌프(31), 펌프 구동 전기 모터(33), 및 드라이버(35)로 구성된다.
송출 펌프(31)는 펌프 구동 전기 모터(33)와 기계적으로 결합된다. 펌프 구동 전기 모터(33)로부터의 회전 구동력에 의해, 송출 펌프(31)는 한쪽 포트(port)로부터 받는 전기 모터 냉각 기름에 압력을 가하고, 다른 포트로부터 송출한다. 예를 들어, 펌프 구동 전기 모터(33)에 의해 임펠러(impeller), 베인(vane) 등이 회전됨에 따라, 송출 펌프(31)는 압력을 발생시킨다.
펌프 구동 전기 모터(33)는, 제어 장치(50)로부터의 지령(DRV1)에 따라서, 드라이버(35)로부터 공급되는 전력을 받음으로써 회전한다. 예를 들어, 펌프 구동 전기 모터(33)는 직류 센서리스 브러시리스 모터(DC sensorless brushless motor)이다.
드라이버(35)는 축전부(16)(도 1)로부터 수신되는 직류 전력을 사전 설정된 전압으로 변환하고, 펌프 구동 전기 모터(33)에 공급한다.
송출 기구(40)는 송출 기구(30)와 실질적으로 동일한 구성으로 실현된다. 송출 기구(40)에는 송출 기구(30)의 구성에 있어서 각각의 송출 펌프(31), 펌프 구동 전기 모터(33), 및 드라이버(35) 대신에 송출 펌프(41), 펌프 구동 전기 모터(43), 및 드라이버(45)가 제공되되, 지령(DRV1) 대신에 지령(DRV2)이 사용된다. 그러므로 상세한 설명은 반복되지 않는다.
상술된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량(100)에서, 전 기 모터(6)(전기 모터 라디에이터(34), 송출 기구(30), 및 냉각 기름 순환 경로(32))의 냉각 기구 및 PCU(8)(PCU 라디에이터(44), 송출 기구(40) 및 냉각수 순환 경로(42)의 냉각 기구는 서로 독립적으로 구성된다. 그러므로, 하이브리드 차량(100)에 의하여, 발생되는 차량 구동력(소비되는 전력)이 보다 커지게 됨에 따라 더욱 더 열을 발생시키는 전기 모터(6)에 대한 냉각 요구 및 전기 모터(6)에 공급되는 전력에 관계없이 실질적으로 일정하게 열을 발생시키는 PCU(8)에 대한 냉각 요구 모두가 효율적으로 만족될 수 있다.
대조적으로, 전기 모터(6) 및 PCU(8)가 동일한 냉각 기구에 의해 냉각되는 종래 구성에 있어서는, 주행 상황에 따라 발열량이 변동하는 전기 모터(6)가 충분히 냉각되도록 냉각 능력을 결정할 필요가 있다. 흔히, 이러한 방식으로 결정되는 냉각 능력은, 실질적으로 일정한 발열량을 가지는 PCU(8)에 있어서 필요한 능력 이상이다. 즉, 전기 모터(6)에 의해 요구되는 냉각 요구 및 PCU(8)에 의해 요구되는 냉각 요구는 서로 일치하지 않기 때문에, 전기 모터(6)의 냉각 요구에 냉각 요구를 합칠 필요가 있어, 그로 인해 과도한 냉각 능력을 달성하였다. 그 결과, 라디에이터, 송출 기구 및 순환 경로가 대형화되는 문제가 있어왔다.
본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량(100)에서는, 전기 모터(6)의 냉각 기구 및 PCU(8)의 냉각 기구는 독립적으로 구성되기 때문에, 각각의 발열량에 따라 냉각 능력이 적절하게 설계될 수 있고, 송출 기구 및 순환 경로 등이 향상된 효율을 달성하도록 설정될 수 있다.
이하, 전기 모터(6)의 냉각 기구 및 PCU(8)의 냉각 기구의 특징적인 구성이 상세하게 설명될 것이다.
<전기 모터(6)의 냉각>
도 3을 참조하면, 전기 모터(6)를 보관하는 보관 챔버 및 감속 기어 및 휠축(12)을 수용하는 각각의 케이스의 부분 단면도가 도시된다.
도 3 및 4를 참조하면, 전기 모터(6)는 칸막이벽(60)에 의해 형성되는 보관 챔버에 배치된다. 칸막이벽(60)의 상부에는, 전기 모터 냉각 기름의 통로(64)가 제공된다. 통로(64)는 기름 리저버(reservoir)(70) 및 전기 모터(6)의 보관 챔버와 연통한다.
전기 모터 냉각 기름은 기름 레벨(OL)까지 저장된다. 따라서, 보관 챔버의 바닥부는 기름 팬(pan)으로서 기능한다. 구동축(10)과 기계적으로 연결되는 전기 모터(6)의 회전자(63)의 회전 등에 따라서, 카운터 종동 기어(counter driven gear)(78)가 회전된다. 카운터 종동 기어(78)의 회전에 따라서, 휠축(12)과 기계적으로 연결되는 차동 기어(differential gear)(76)가 회전한다. 그때, 도 3의 화살표에 의해 표시되는 바와 같이, 차동 기어(76)는 전기 모터 냉각 기름을 위쪽으로 올린다. 케이스의 상부에는, 기름 캐치판(catch plate)(72)이 제공된다. 차동 기어(76)에 의해 올려지는 전기 모터 냉각 기름은 기름 캐치판(72)을 통하여 기름 리저버(70)에 저장된다. 기름 리저버(70)에는 기름 출구(74)가 제공된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 기름 출구(74)는 기름 입구(66.1, 66.2, 및 66.3)와 연통한다.
통로(64)에 도달한 전기 모터 냉각 기름은 칸막이벽(60)에 제공되는 기름 출구(68.1, 68.2, 및 68.3)를 통과하고, 고정자 코일(stator coil)(62)의 상부에 쏟 아진다. 고정자 코일(62)의 상부에 쏟아진 전기 모터 냉각 기름은, 고정자 코일(62)과 열교환을 실행하면서 고정자 코일(62)의 외주면을 유동하고, 보관 챔버의 바닥부로 되돌아온다. 즉, 전기 모터 냉각 기름은 고정자 코일(62)과 직접 접촉하고 고정자 코일(62)을 냉각시킨다.
더욱이, 보관 챔버의 바닥부에는, 냉각 기름 순환 경로(32)와 연통하기 위한 2개의 개구(opening)가 제공되고, 저장된 전기 모터 냉각 기름의 일부가 전기 모터 라디에이터(34)와의 사이에 순환되고, 전기 모터(6)가 냉각된다. 예를 들어, 전기 모터(6) 바로 아래 위치되는 개구로부터, 전기 모터(6)의 흡수된 열을 가지는 상대적으로 고온의 전기 모터 냉각 기름이 추출된다. 전기 모터 라디에이터(34)에 의해 냉각된 후의 전기 모터 냉각 기름은 차동 기어(76)의 바닥부 부근으로 되돌아온다.
상술된 바와 같이, 상기 전기 모터(6)로부터 전기 모터 냉각 기름이 고정자 코일(62)에 쏟아져 직접 접촉되기 때문에, 전기 모터(6)의 발열원인 고정자 코일(62)이 효율적으로 냉각될 수 있다. 그러므로, 전기 모터(6)에 의해 발생되는 차량 구동력이 크고 발열량이 많은 경우에도, 전기 모터(6)는 안정적으로 냉각될 수 있다.
<PCU(8)의 냉각>
다시, 도 1을 참조하면, 전기 모터(6)의 냉각 기구 및 PCU(8)의 냉각 기구는 서로 독립적으로 구성되므로 PCU 라디에이터(44)의 소형화 등이 달성될 수 있다. 반면에, PCU 라디에이터(44)의 소형화는 유동 저항(flow resistance)을 증가시킨다. 그 결과, 송출 기구(40)의 전력 소비가 상대적으로 증가될 수 있다. 따라서, 제어 장치(50)는, PCU 냉각수가 PCU(8)와 PCU 라디에이터(44) 사이에서 순환하는 시간을 단축함으로써 송출 기구(40)의 전력 소비를 억제한다. 구체적으로, 제어 장치(50)는, PCU(8)로부터 출력되는 PCU 냉각수의 온도가 사전 설정된 값 이상이면, 스위치 밸브(46)에 제어 지령을 제공하여 PCU 냉각수가 PCU 라디에이터(44)에 인도되고 냉각이 실행된다. 한편, 제어 장치(50)는, PCU(8)로부터 출력되는 PCU 냉각수의 온도가 사전 설정된 값보다 작다면, 스위치 밸브(46)에 제어 지령을 제공하여 PCU 냉각수가 PCU(8)와 우회 경로(48) 사이를 순환하게 한다.
도 5(a)는 PCU 냉각수의 온도가 사전 설정된 값 이상인 경우를 도시한다.
도 5(b)는 PCU 냉각수의 온도가 사전 설정된 값보다 작은 경우를 도시한다.
도 5(a)를 참조하면, PCU 냉각수의 온도가 사전 설정된 값 이상인 경우, 제어 장치(50)는, 스위치 밸브(46)가 PCU 라디에이터(44)측을 선택하도록 제어 지령을 제공한다. 그러면, PCU 냉각수는 PCU(8)와 PCU 라디에이터(44) 사이에서 순환한다. 그러므로 PCU(8)의 흡수된 열을 가지는(PCU(8)를 냉각한) PCU 냉각수는 PCU 라디에이터(44)에서 열교환에 의해 냉각된다.
반면, 도 5(b)를 참조하면, PCU 냉각수의 온도가 사전 설정된 값보다 작은 경우, 제어 장치(50)는, 스위치 밸브(46)가 우회 경로(48)를 선택하도록 제어 지령을 제공한다. 그러면, PCU 냉각수는 PCU(8)와 우회 경로(48) 사이에서 순환한다. 그러므로 PCU(8)의 흡수된 열을 가지는(PCU(8)를 냉각한) PCU 냉각수는 냉각되지 않고 다시 PCU(8)의 열을 흡수한다. 따라서, PCU(8)와 우회 경로(48) 사이를 반복적으로 순환함으로써, PCU 냉각수의 온도는 점진적으로 증가한다.
상술된 바와 같이, 제어 장치(50)는, PCU 냉각수의 온도가 사전 설정된 값 이상인 경우에만, PCU 냉각수가 PCU 라디에이터(44)를 통과하게 하고, 반면에, 다른 기간에 있어서는 PCU 냉각수가 PCU 라디에이터(44)를 통하여 흐르지 않도록 PCU 냉각수를 PCU(8) 사이에서 순환하게 한다. 이와 같이, 제어 장치(50)는 송출 기구(40)(펌프 구동 전기 모터(33))의 전력 소비를 억제한다.
이하, 제어 장치(50)에 의해 실행되는 프로그램의 제어 구조가 설명된다.
제어 장치(50)는 도 6의 흐름도를 사전 설정된 주기(예를 들어, 100msec)로 반복적으로 실행한다.
도 6을 참조하면, 제어 장치(50)는 온도 검출부(52)로부터 PCU 냉각수의 온도를 획득한다(단계 S100). 제어 장치(50)는 PCU 냉각수의 온도가 사전 설정된 값 이상인지 여부를 결정한다(단계 S102).
PCU 냉각수의 온도가 사전 설정된 값 이상인 경우(단계 S102에서 YES), 제어 장치(50)는, PCU 라디에이터(44)측을 선택하도록 스위치 밸브(46)에 제어 지령을 제공한다(단계 S104).
PCU 냉각수의 온도가 사전 설정된 값보다 작은 경우(단계 S102에서 NO), 제어 장치(50)는, 우회 경로(48)를 선택하도록 스위치 밸브(46)에 제어 지령을 제공한다(단계 S106).
그리고 나서, 제어 장치(50)는 제1 처리로 되돌아온다.
삭제
상술된 본 발명의 실시예에서는, 냉각 매체인 전기 모터 냉각 기름 및 PCU 냉각수의 상태에 따라서, 펌프 구동 전기 모터(33, 43)의 구동 타이밍, 속도 등이 더욱 제어되도록 구성하는 것이 가능할 수도 있다. 이러한 구성에 의하면, 전기 모터 및 PCU가 더욱 효율적으로 냉각될 수 있다.
상술된 본 발명의 실시예에서는, 전기 모터(6)를 냉각시키기 위한 구성이 상술되었지만, 전기 모터(6)의 냉각 구성과 동일한 구성에 의해 발전기(7)가 냉각되도록 구성할 수 있다.
상술된 본 발명의 실시예에서는, 본 발명이 병렬/직렬형 하이브리드 차량에 적용되는 일례가 설명되었지만, 본 발명이 병렬형 하이브리드 차량에도 적용가능한 것은 말할 필요도 없다. 즉, 본 발명은 도 1의 도시되지 않은 다른 휠을 구동하기 위한 전기 모터를 더 포함하는 차량에도 적용가능하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전기 모터(6)를 냉각하기 위한 냉각 기구 및 PCU(8)를 냉각하기 위한 냉각 기구가 제공된다. 각각의 냉각 기구는 축전부(16)로부터 수신되는 전력에 의해 작동(냉각 매체를 송출)한다. 따라서, 엔진이 정지되는 경우에도, 각각의 냉각 기구는 냉각 매체인 전기 모터 냉각 기름 및 PCU 냉각수를 순환시키고, 전기 모터(6) 및 PCU(8)가 계속적으로 냉각될 수 있다. 따라서, 엔진이 간헐적으로 정지되는 하이브리드 차량에 있어서도, 전기 모터 및 전력 변환부는 안정적으로 냉각될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전기 모터(6)를 냉각시키는 냉각 기구 및 PCU(8)를 냉각시키는 냉각 기구가 서로 독립적으로 배치되기 때문에, 각각의 발열량에 따라서, 라디에이터, 송출 기구, 순환 경로 등이 적절하게 설계될 수 있다. 따라서, 전기 모터(6) 및 PCU(8)가 공통의 냉각 기구에 의해 실현되는 경우와 같이, 과도한 냉각 능력을 발휘하기 위해 증가된 크기를 가지는 라디에이터, 송출 기구, 순환 경로 등을 구성할 필요가 없다. 따라서, 펌프의 총 배출량이 억제될 수 있기 때문에, 펌프 구동 전기 모터(33, 43)의 전력 소비가 감소될 수 있다. 또한, 소형화된 전기 모터 라디에이터(34)로부터의 방열량이 감소되기 때문에, 전기 모터 라디에이터(34)를 통과한 후의 기류의 온도의 상승이 억제된다. 그러므로, 그 후방측에 배치되는 엔진 라디에이터(20)의 주위 온도도 낮아지도록 억제된다. 따라서, 엔진 라디에이터(20)의 방열 효율이 증가될 수 있고, 엔진 라디에이터(20)도 더욱 소형화될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전기 모터 냉각 기름은 전기 모터(6)의 고정자 코일(62)의 상부에 쏟아지고, 전기 모터 냉각 기름은 거기에 직접 접촉하면서 고정 자 코일(62)의 외주면을 유동하여, 그로 인해 전기 모터(6)가 냉각된다. 이렇게 하여, 전기 모터(6)의 발열원인 고정자 코일(62)이 효율적으로 냉각될 수 있으므로, 급격한 가속이 요구되는 경우 또는 언덕을 오르는 경우와 같은 고부하 운전 모드에서 전기 모터(6)의 발열량이 많은 경우라도, 전기 모터(6)는 안정적으로 냉각될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, PCU 냉각수의 온도에 따라서, PCU(8) 및 PCU 라디에이터(44)를 포함하는 경로, 또는 PCU(8)를 포함하고 PCU 라디에이터(44)를 포함하지 않는 경로가 선택되어, PCU 냉각수를 순환하게 할 수 있다. 이것에 의해, PCU 라디에이터(44)의 소형화와 관련하여 유동 저항이 증가하고, 송출 기구(40)(실질적으로, 펌프 구동 전기 모터(43))의 소비가 증가하는 경우에도, PCU(8) 및 PCU 라디에이터(44)를 포함하는 경로에서 PCU 냉각수가 순환되는 작동 시간이 억제될 수 있다. 따라서, 총체적으로 전력 소비가 억제될 수 있다. PCU(8) 및 우회 경로(48)를 포함하는 경로에서 PCU 냉각수가 순환되는 시간에 관해서는, PCU(8)와 접촉하는 PCU 냉각수의 유속을 증가시킴으로써, PCU(8)의 냉각 효율이 향상될 수 있다. 즉, 유동 저항의 증가와 관련되는 전력 소비의 증가를 억제하면서, 동시에 PCU(8)의 냉각 효율의 향상이 실현될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전기 모터(6)를 냉각시키기 위해 기름(전기 모터 냉각 기름)으로 이루어진 냉각 매체를 사용함으로써, 절연성의 저하 및 부식이 방지될 수 있다. 또한, 전기 모터(6)의 고정자의 상부에 직접 냉각 매체가 쏟아지게 할 수 있다. 따라서, 효율적인 전기 모터(6)의 냉각이 실현될 수 있다. 반면에, PCU(8)를 냉각시키기 위해 수분(PCU 냉각수)로 이루어진 냉각 매체를 사용함으로써, PCU(8)의 온도 상승이 PCU 냉각수의 비등점(boiling point)까지 제한될 수 있다.
본 명세서에 개시된 실시예들은 모든 측면에 있어서 예시적인 것이고 제한적인 것이 아님은 자명하다. 본 발명의 범위는 상기 설명보다는 특허청구범위의 청구항들에 의하여 결정되고, 특허청구범위의 청구항들과 균등한 의미 및 범위 내에서 여러 수정예들을 포함하도록 의도된다.

Claims (9)

  1. 하이브리드 차량에 있어서,
    각각 차량 구동력을 발생시킬 수 있도록 구성되는 엔진 및 전기 모터;
    충방전될 수 있도록 구성되는 축전부;
    상기 전기 모터를 구동하기 위해 상기 축전부로부터 수신된 전력을 변환하는 전력 변환부;
    기름으로 이루어진 제1 냉각 매체를 매개로 하여 상기 전기 모터를 냉각시키는 제1 냉각 기구; 및
    물로 이루어진 제2 냉각 매체를 매개로 하여 상기 전력 변환부를 냉각시키는 제2 냉각 기구를 포함하고,
    상기 제1 냉각 기구는,
    열교환을 실행함으로서 상기 제1 냉각 매체를 냉각시키는 제1 열교환부와,
    상기 전기 모터와 상기 제1 열교환부를 포함하는 제1 순환 경로를 통해 상기 제1 냉각 매체가 순환하도록 하는 제1 송출기구를 포함하고,
    상기 제2 냉각 기구는,
    열교환을 실행함으로서 상기 제2 냉각 매체를 냉각시키는 제2 열교환부와,
    상기 전력 변환부와 상기 제2 열교환부를 포함하는 제2 순환 경로를 통해 상기 제2 냉각 매체가 순환하도록 하는 제2 송출기구와,
    양단(兩端)이 상기 제2 순환 경로에 접속되되, 상기 전력변환부는 포함하고, 상기 제2 열교환부는 포함하지 않는 경로로 상기 제2 냉각 매체를 순환하도록 하는 우회 경로와,
    상기 전력변환부로부터 출력된 상기 제2 냉각 매체가 상기 제2 순환 경로 및 상기 우회 경로 중 어느 하나를 순환하도록 스위칭(switching)을 실행할 수 있게 구성되는 경로 스위칭부와,
    상기 제2 냉각 매체의 온도에 근거하여 상기 경로 스위칭부를 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 엔진은 주행 상황에 따라 간헐적으로 정지하고,
    상기 제1 및 제2 송출 기구는, 상기 엔진이 정지되는 경우에도 작동 가능하도록 구성되며,
    상기 제어부는,
    상기 제2 냉각 매체의 온도가 사전 설정된 값 이상인 경우에, 상기 제2 냉각 매체가, 상기 제2 순환 경로를 통하여 제1 속도로 순환하도록, 상기 경로 스위칭부를 제어하고,
    상기 제2 냉각 매체의 온도가 사전 설정된 값 미만인 경우에, 상기 제2 냉각 매체가, 상기 우회 경로를 통하여 상기 제1 속도보다 높은 제2 속도로 순환하도록, 상기 경로 스위칭부 및 상기 제2 송출기구를 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 송출 기구는 전기적으로 작동하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 냉각 기구는, 상기 전기 모터를 구성하는 코일에 상기 제1 냉각 매체를 직접 접촉시킴으로써 냉각을 달성하는 경로를 포함하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 냉각 매체가 상기 전기 모터의 위로 살포되도록, 상기 제1 냉각 매체를 리저버(reservior)로 튀겨 올리는(splash) 차동 기어를 더 구비한 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량.
  9. 하이브리드 차량에서의 냉각 방법에 있어서,
    상기 하이브리드 차량은,
    각각 차량 구동력을 발생시킬 수 있도록 구성되는 엔진 및 전기 모터;
    충방전될 수 있도록 구성되는 축전부;
    상기 전기 모터를 구동하기 위해 상기 축전부로부터 수신된 전력을 변환하는 전력 변환부;
    기름으로 이루어진 제1 냉각 매체를 매개로 하여 상기 전기 모터를 냉각시키는 제1 냉각 기구; 및
    수분으로 이루어진 제2 냉각 매체를 매개로 하여 상기 전력 변환부를 냉각시키는 제2 냉각 기구를 포함하고,
    상기 제1 냉각 기구는,
    열교환을 실행함으로서 상기 제1 냉각 매체를 냉각시키는 제1 열교환부와,
    상기 전기 모터와 상기 제1 열교환부를 포함하는 제1 순환 경로를 통해 상기 제1 냉각 매체가 순환하도록 하는 제1 송출기구를 포함하고,
    상기 제2 냉각 기구는,
    열교환을 실행함으로서 상기 제2 냉각 매체를 냉각시키는 제2 열교환부와,
    상기 전력 변환부 및 상기 제2 열교환부를 포함하는 제2 순환 경로를 통해 상기 제2 냉각 매체가 순환하도록 하는 제2 송출기구와,
    양단(兩端)이 상기 제2 순환 경로에 접속되되, 상기 전력변환부는 포함하고, 상기 제2 열교환부는 포함하지 않는 경로로 상기 제2 냉각 매체를 순환하도록 하는 우회 경로와,
    상기 전력변환부로부터 출력된 상기 제2 냉각 매체가 상기 제2 순환 경로 및 상기 우회 경로 중 어느 하나를 순환하도록 스위칭(switching)을 실행할 수 있게 구성되는 경로 스위칭부를 포함하고,
    상기 엔진은 주행 상황에 따라 간헐적으로 정지하고,
    상기 제1 및 제2 송출 기구는, 상기 엔진이 정지되는 경우에도 작동 가능하도록 구성되며,
    상기 냉각 방법은,
    상기 제2 냉각 매체의 온도가 사전 설정된 값 이상인지 여부를 판단하는 단계와,
    상기 제2 냉각 매체의 온도가 사전 설정된 값 이상인 경우에, 상기 제2 냉각 매체를, 상기 제2 순환 경로를 통하여 제1 속도로 순환시키는 단계와,
    상기 제2 냉각 매체의 온도가 사전 설정된 값 미만인 경우에, 상기 제2 냉각 매체를, 상기 우회경로를 통하여 제1 속도보다 큰 제2 속도로 순환시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 방법.
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