KR101163269B1 - 자동차 동력장치 - Google Patents

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Abstract

자동차 동력장치는 내연기관이 있는 자동차에 설치되어 제1 가변 유압 모터(107), 제2 가변 유압 모터(108), 유성기어기구(103) 및 기계식 전동기구(104)를 주요 구성요소로 한다. 동력장치는 또 제1 가변 유압 모터와 제2 가변 유압 모터를 제어하는 유압 제어장치(109)와 전자 제어장치(112)를 포함한다.

Description

자동차 동력장치{POWER SET FOR VEHICLES}
본 발명은 일종의 자동차에 사용되는 동력 전달, 전환, 저장 및 사용과 관련된 장치이며, 특히 일종의 무단 변속과 각종 동력의 혼성과 순환 구동, 기계 - 유합 - 전기가 통합된 자동차 동력장치에 관련된것이다.
확실하지 못한 통계에 의하면, 세계 8억 대 이상의 각종 자동차는 해마다 10억 여톤 이상의 석유를 소모하고 있으며 또한 해마다 증가하며 배출되는 온실 기체 CO2와 각종 유독물질은 날로 엄중히 환경을 오염시키고 파괴하고 있다고 한다. 동시에 세계 석유자원도 인류가 몇십년 사용할 정도로 밖에 존재되고 있는 상황이다.
그러므로 자동차가 유인하는 오염과 에너지 결핍으로 인하여, 자동차의 에너지 절약 문제는 세계의 높은 주목과 관심을 불러 일으키고 있다.
미국 에너지연관부서의 통계자료에 의하면, 자동차 기름 탱크에서 휘발유의 에너지는 15％만이 자동차를 구동하여 전진하거나 에어컨 등 유용한 부속품을 구동하는데 사용되며 나머지 에너지는 모두 낭비 된다고 한다. 자동차의 부하와 에너지 소모는 아래와 같은점에서 발생된다. 첫째, 차바퀴와 지면 사이의 구름마찰력(rolling friction)을 극복한다. 마찰력은 자동차 총 중량과 구름마찰계수와 정비례되며 필요한 일률은 자동차의 속도가 증가함에 따라 다소 증가된다. 둘째, 자 동차 운동의 공기 저항력을 극복한다. 공기 저항력은 속도의 제곱과 정비례되며 필요한 일률은 속도의 세제곱이다. 셋째, 자동차의 시동, 가속, 등반(climb)에 사용되어 자동차의 운동 에너지(kinetic energy) 또는 위치 에너지(potential energy)의 향상에 필요한 동력을 제공한다. 이 부분의 운동 에너지와 위치 에너지는 제동과정에서 마찰열로 전환된다. 도시 도로의 상황에서 자동차가 저속, 낮은 부하와 주차 상태에서의 에너지 소모량은 17.2%, 발전기와 에어컨 압축기 등의 에너지 소모량은 2.2%, 자동차의 동력전달에서 손실되는 에너지 소모량은 5.6%, 제동에 사용되는 에너지 소모량은 5.8%, 구름마찰과 공기동력학적 저항력(aerodynamic drag)에 손실되는 에너지 소모량은 6.8%이다. 휘발유의 열량은 12.6％만 자동차의 주행에 소모된다. 만약 23%의 자동차의 저속, 낮은 부하, 주차 상태에서의 에너지 소모량과 제동에 사용되는 에너지 소모량을 절반 줄이면 50% 기름을 절약할 수 있다. 이로써 알다싶이, 선진적 기술로 에너지 절약을 달성하는데 매우 큰 잠재력이 있다.
자동차의 동력은 주로 내연기관이며, 특히 휘발유기관의 동력 특징은 회전속도가 600 - 6000rpm이다. 토크(torque)는 회전속도에 비해 약간 철형(convex)의 일정한 토크 특징이 있으며 조절판(throttle)의 열린정도에 따라 유사한 선형 정비례로 증가된다. 내연기관의 만능 특성을 보면, 엔진은 일정한 회전속도의 범위와 부하에서만 비교적 높은 효율을 발생한다. 저속, 낮은 부하의 상태에서 효율은 대폭 줄어든다. 그중에서 휘발유기관과 디젤기관의 특성은 다소 다르다. 디젤기관의 높은 효율 구간은 상대적으로 넓다. 정격 작동상태에서 엔진 자체의 평균 유효 효율(effective efficiency)은 37.6%(218g/kwh)에 불과하다. 도시 교통도로 상태에서 엔진은 대부분 시간에 낮은 부하상태로 작동하며, 엔진 정격부하의 10 - 30％ 정도에서 엔진의 평균 효율은 16 - 18％(480g/kwh)에 불과하다.
자동차의 에너지 절약과 배출량의 감소방법은 주로 높은 압축비의 디젤 엔진 기술 등 엔진 자체의 열효율을 높이는 방법, 차량 중량을 줄이고 공기 저항력과 구름 저항력을 줄여 저항력으로 인한 에너지 소모를 줄이는 방법, 전기기술, 수소연료 전지기술, 메탄올연료 등 신형 동력과 신형 에너지를 사용하는 방법, 고효율 변속기, 무단 변속, 혼합동력, 제동 운동에너지의 회수 등 전동방식을 변경시켜 자동차의 에너지 이용효율을 높이는 방법을 포함한다. 그러나 현재 사용하고 있는 수억 대 자동차는 지금까지도 매우 좋은 에너지 절약의 해결방안을 찾지 못하고 있다.
본 발명은 주로 전동방식의 변화를 통해 자동차의 에너지 이용 효율을 높이며 전기기술을 채택하여 자동차의 에너지를 절약하고 배출량을 줄이는 목적을 달성한다.
자동차 동력 시스템에서 변속기는 엔진 다음으로의 역할을 한다. 자동차 변속기는 작동과 변속방식에 따라 일반적으로 유단 수동/자동 변속기와 무단 변속기로 나눈다. 수동 유단 변속기의 효율은 매우 높지만 내연기관과의 배합은 최적화되기 어려워 자동차의 전체 효율이 높지 않고 빈번한 변속의 부하 부담이 크다. 기계식 자동변속기술(AMT)로 수동 작동을 대체할 경우에 시스템의 지능형 컨트롤에 대한 요구가 높다. 자동 변속기(AT)는 유압 토크 변환기(hydraulic torque converter)와 유성기어열(planetary gear train)로 구성되어 엔진의 효율을 높였다. 그러나 자체 효율이 비교적 낮으며 제어 시스템이 복잡하며 제조 난이도가 높 다. 무단 변속기는 사람들이 추구하는 이상적인 변속기이다. 마찰력으로 무단 변속 전동을 실현할 경우, 예를 들면, 체인식과 강철 벨트식 무단 변속 전동장치 등의 효율은 비교적 높이 향상되지만 재료성능과 강철 벨트의 최소 굴곡반경의 제한을 받아 그 변속과 토크 변환의 범위가 제한되어 여전히 유압 토크 변환기 또는 클러치와 배합하여 사용해야 한다. 유압식 가변 펌프 - 모터로 유압식 무단 변속 시스템을 구성하지만 단일 펌프 또는 모터의 효율은 90％에 도달하여도 시스템의 전체 효율은 여전히 80％ 이하에 밖에 미치지 못한다. 일종의 개선으로서 미국 특허 6145409 Hybrid Gearbox, 일본 Komatsu기계 및 중국 일부 대학교에서 연구한 "기계 유압 분할방식의 다단계 무단 변속" 등 유압식 무단 변속과 기계식 전동을 결합한 분할 전동방안을 채택하여 양호한 에너지 절약의 효과를 거두었다. 그러나 중량과 체적이 크기 때문에 버스, 학교 차량, 트랙터와 특수 용도의 공정 차량에만 사용된다.
현재 널리 사용되고 있는 내연기관을 동력으로 하는 자동차를 놓고 보면, 어떤 변속기를 사용하든지 자동차 저속과 등속 운동 등 낮은 부하의 작동상태에서 엔진의 낮은 효율, 자동차를 제동할 때의 운동 에너지 회수와 시스템 동력성과 경제성의 상호 모순 등 3대 난제를 해결할 수 없다. 그러므로 기계전기식(mechanical - electrical) 혼합동력과 기계 유압식(mechanical - hydraulic) 혼합동력 모드가 나타났다.
기계전기식 혼합동력 구동 시스템은 기계 시스템과 전기 시스템의 결합방식에 따라 직렬, 병렬과 혼합 등 3가지 모드로 나눌 수 있다. 전력 공급의 크기에 따 라 약한 혼합(weak hybrid)과 강한 혼합(strong hybrid)으로 나눈다. 약한 혼합의 방출되는 전기 에너지는 엔진의 시동과 정지에 대한 컨트롤과 가속 보조에만 사용되기 때문에 에너지 절약 효과가 제한된다. 강한 혼합은 전기 에너지가 독립적으로 자동차를 구동하여 전진하게 하며, 기계전기식 강한 혼합동력의 구동은 일반 승용차가 시내지역에서의 연료 소모량이 3.5 - 5.5L/100km에 도달하게 하며 연료 소모량은 30 - 50% 낮추며 오염물 배출량은 90％ 낮춘다. 자동차가 저속과 낮은 부하상태에서 주로 전기를 사용하며 일정한 속도에 도달하면 엔진을 가동한다. 엔진은 전동기가 저속상태에서의 큰 토크 특성을 이용하여 직접 자동차를 구동하여 출발하고 가속한다. 이때의 구동전류가 매우 크며 효율이 낮다. 전기 에너지의 일부 에너지 전환 사슬이 매우 길다. 그 전환 사슬은 엔진 - 발전기 - 변환기 - 전지조 충전 - 전지조 방전 - 변환기 - 전동기 - 자동차이며 전기 효율은 일반적으로 70％에밖에 미치지 못한다. 고속상태에서 모터도 반드시 변속작동에 참여하기 때문에 고속상태에서 전체 효율이 상대적으로 낮아진다. 자동차가 제동할 때에 반드시 큰 일률의 모터와 큰 전류의 충전과 방전을 반복적으로 진행할 수 있는 전지조를 사용하여야 운동 에너지를 비교적 잘 회수할 수 있다. 그러므로 원가가 매우 높아진다.
기계전기식 혼합방식 외에 기계 유압식 혼합 구동방법도 있다. 유압식 에너지 저장장치의 소모량이 적고 출력밀도가 크기 때문에 유압 회수비례가 전기 에너지의 회수효율보다 높고 유압기술이 성숙되며 수명이 길고 원가가 비교적 낮다. 20세기 70년대 세계 에너지 위기시기에 유럽과 일본은 대량으로 시험한 적이 있지만 그 당시 조건의 제한을 받아 진전이 순조롭지 않았다. 그러나 미국은 지금까지도 노력하여 탐색하고 있다. 기계 유압식 혼합도 병렬과 직렬 등 2가지 방식으로 나눈다. 병렬방식에서 미국 환경보호국과 FORD회사, EATON회사가 시험을 한 적이 있는 유압식 출발 보조 시스템(HLA - Hydraulic Launch Assist)은 기존의 전동 시스템에 유압 펌프 1개를 병렬시켜 제동 에너지를 회수하고 자동차가 다시 시동할 때에 방출한다. 이 시스템은 60% 정도의 제동 에너지를 회수할 수 있고, 시내구역에서 주행할 때에 에너지 소모량을 25 - 35％ 줄이며 폐기 배출량을 50％ 줄일 수 있다고 한다. 유사한 제품은 중국 특허 200420040920.8 - "공공버스 병렬식 유압 혼합동력 전동장치"가 있다. 그러나 병렬 시스템은 고속상태에서 에너지 절약 효과가 뚜렷하지 않다. 직렬방식에서 미국 환경보호국이 신청한 미국 특허 6719080 - "Hydraulic Hybrid Vehicle", 중국에서 신청한 특허 01803550 - "유압 혼합 구동형 차량" 및 중국 특허 200420040925.0 - "공공버스 직렬식 유압 혼합동력 전동장치"는 최소 2개 유압 펌프/모터와 고압과 저압의 2개 에너지 저장장치를 제공하여 완전유압방식으로 변속과 전동을 진행한다. 엔진 효율은 대폭 향상되지만 유압식 전동의 효율이 비교적 낮아 일부 에너지 절약 효과가 상쇄된다. 이러한 시스템의 개선방안으로서 미국 특허 4441573, 5088041, 5495912는 듀얼 엔진(dual - engine) 모드, 다단 압력(multi - stage pressure) 모드 등 여러 가지 기계 유압식 혼합 구동 기구와 에너지 관리방법을 제출했다. 그중에서 비교적 선진적인 것은 듀얼 모드의 기계 유압식 혼합 구동으로서 저속상태에서 완전히 유압식 무단 변속을 진행하고 고속상태에서 완전히 기계식 전동을 진행하며 2개 클러치를 통해 모드 사이의 전환을 실현한다. 그러므로 에너지 절약 효과를 일부 높일 수 있지만 저속상태에서 유압식 전동 의 효율이 낮으며 고속상태에서 기계식 전동은 시스템 동력성과 경제성의 모순을 해결할 수 없어서 개선 효과가 제한된다. 중국에서 북경이공대학 기계차량공정학원은 기계 유압 분할방식의 무단 변속과 혼합동력방면에서 이론적으로 많은 연구와 탐색을 진행하였으며 일부 시뮬레이션(simulation) 분석결과를 얻었다.
요약하면, 수동, 자동 또는 무단 변속 등 단순한 자동차 변속장치를 채택하여도 3가지 에너지 절약의 핵심을 해결할 수 없다. 기계전기식 혼합 구동방식을 채택하면 에너지 절약 효과를 비교적 많이 개선하지만 전지의 성능과 시스템의 원가는 그 발전을 제한하는 핵심 문제로 되었다. 예를 들면, 쾌속 충전과 방전, 에너지 저장효율의 향상과 전지수명 등 기술문제는 해결되지 않았다. 그 외에 구동 시스템이 복잡하여 필요한 기계전기식 전환 컨트롤, 전지조와 큰 일률 모터의 원가가 높으며 세계에서 이미 사용하고 있는 약 8억 대 차량의 에너지 절약목적을 달성하기 어렵다. 기존의 기계 유압식 혼합 구동 모드는 아직 유압 시스템의 비에너지(specific energy)가 작고 전동 효율이 낮은 결함을 극복할 수 없으며 설계한 기구가 복잡하고 체적과 중량이 크기 때문에 공공버스, 우편차, 청소 트럭 등 시내지역에서 주행하는 대형 자동차에만 사용되며 전체 시스템의 에너지 절약 효과가 아직 뚜렷하지 않다. 현재 세계 자동차업계는 보편적으로 플러그인(Plug - in)방식의 기계전기식 혼합 구동 자동차에 대해 낙관적이며 에너지 절약 효과를 더 높이고 폐기 배출량을 줄이며 환경을 개선할 수 있지만 그 원가 절약은 관건적 문제이다. 이러한 문제는 바로 본 발명에서 해결하려는 문제이다.
본 발명이 해결할 기술문제는 아래와 같다:
1. 자동차가 도시에서의 작동상태 또는 고속도로에서 교통체증 등 저속상태에서 엔진이 낮은 연료 소모량과 낮은 폐기 배출량의 상태에서 작동한다.
2. 자동차가 주차할 때에 자동으로 정지(shutdown)할 수 있으며 필요할 때에 자동으로 시동할 수 있어 유휴상태(idle state)의 연료 소모량을 줄인다.
3. 자동차가 저속과 낮은 부하 상태에서 플러그인식 전기 에너지 보조구동으로 주행할 수 있다.
4. 자동차가 중속 또는 고속상태에서 엔진이 고효율로 작동하여 자동차 동력성과 경제성의 모순을 해결한다.
5. 제동 운동 에너지의 고효율 회수와 이용
6. 전동 시스템이 각종 작동상태에서의 고효율
7. 체적이 작고 중량이 가벼워 설치와 수리에 편리하며 각종 자동차, 특히 공간이 매우 제한된 승용차에 설치하여 사용할 수 있으며 기존 자동차에 대해 에너지 절약의 개장을 진행할 수 있다.
8. 낮은 원가, 긴 수명, 높은 안정성
본 발명에서 상기 기술문제를 해결하기 위해 채택한 기술방안은 아래와 같다. 내연기관을 설치한 자동차에서 2대 가변 유압 모터（variable displacement hydraulic motor）+유성기어열+전동 기어 세트를 주요 구성요소(main components)로 기계 유압 분할방식의 무단 변속 시스템은 유압식 에너지 저장장치와 전지조를 에너지 저장장치로 설치하고, 전기 모터/발전기를 보조 동력장치로 설치하며, 에너지 관리 시스템을 통해 기계, 유압과 전력 등 3대 기술을 통합시켜 무단 변속전동과 혼합동력 구동 등 2대 기능을 집적시킨다. 구체적 사항은 아래와 같다.
일종의 자동차 동력장치는,
입력 단자, 출력 단자 및 제어 단자가 설치되어 있고 상기 입력 단자는 엔진의 출력 단자가 연결되고 상기 출력 단자는 기계식 전동기구를 통해 자동차 동력장치의 동력 출력축에 연결되는 유성기어기구(planetary gear mechanism)와,
유성기어기구의 제어 단자에 연결되되 유압 회로를 통해 기름 탱크와 연결되는 제1 가변 유압 모터와,
회전축은 자동차 동력장치의 동력 출력축에 연결되고 상기 동력 출력축을 통해 동력의 입력 또는 출력을 진행하며, 또한 유압 회로를 통해 각각 제1 가변 유압 모터와 기름 탱크에 연결되는 제2 가변 유압 모터와,
차량의 운행 파라미터와 차량에 대한 컨트롤 파라미터를 채집하며, 또한 이러한 파라미터를 통해 컨트롤 신호를 출력하며, 상기 제1 가변 유압 모터와 제2 가변 유압 모터가 전자 제어장치의 컨트롤 신호에 응답하여 변량 조절을 진행하도록 하는 전자 제어장치와,
유압 회로에 설치하며, 또한 전자 제어장치의 컨트롤 신호에 응답하여 제1 가변 유압 모터와 제2 가변 유압 모터의 작동상태를 제어하는 유압 제어장치를 포함한다.
본 발명에서 유성기어기구의 일종 옵션 사례로서 상기 유성기어기구는 한 줄의 NGW 유성기어기구 또는 NW 유성기어기구이고 한 줄의 유성기어기구는 태양기어(sun gear), 유성기어, 유성 케리어(planet carrier) 및 기어 링(gear ring)을 포함하며 그중에서 태양기어는 제어 단자이고, 유성 케리어와 기어 링은 각각 상기 출력 단자 또는 상기 입력 단자이며 상기 입력 단자, 출력 단자 및 제어 단자중 임의의 2개 사이에 적어도 1개 제1 클러치를 설치하고 상기 제1 클러치는 전자 제어장치의 컨트롤 신호에 응답하여 클러칭(clutching) 동작을 함으로써 유성기어기구가 서로 다른 전동률(transmission ratio)사이에서 전환하도록 조절한다.
본 발명에서 유성기어기구의 다른 옵션 사례로서 상기 유성기어기구는 두 줄 또는 두 줄 이상의 직렬된 유성기어기구이고 매 줄의 유성기어기구의 입력 단자, 출력 단자 및 제어 단자중 임의의 2개 사이에 제1 클러치를 설치하며, 두 줄 또는 두 줄 이상의 직렬된 유성기어기구는 적어도 2개 제어 단자를 형성하며 그중에서 한 개 제어 단자는 상기 제1 가변 유압 모터와 연결되며, 다른 제어 단자는 제2 클러치를 통해 자동차 동력장치의 케이스에 연결되며 상기 제1 클러치와 제2 클러치는 제어장치의 컨트롤 신호에 응답하여 클러칭 동작을 진행함으로써 유성기어기구가 서로 다른 전동률사이에서 전환하도록 조절한다.
본 발명에서 상기 기계식 전동기구는 2단 또는 2단 이상의 병렬된 변속기어쌍(shifting gear pair)을 포함하며 상기 2단 또는 2단 이상 변속기어쌍과 유성기어기구의 출력 단자 사이에 각각 오버러닝 클러치(overrunning clutch)를 설치하고, 또한 상기 2단 또는 2단 이상의 병렬된 변속기어쌍 사이에 각각 제2 클러치를 설치하며, 오버러닝 클러치와 제2 클러치는 각각 클러칭 동작을 통해 상기 기계식 전동기구의 전동률을 조절한다. 상기 오버러닝 클러치는 쇄기식의 오버러닝 클러치이다. 상기 제2 클러치는 투스 임배디드식(tooth embedded) 전자기 클러치 또는 투스 임배디드식 수동 클러치이며, 그중에서 투스 임배디드식 전자기 클러치는 전자 제어장치의 컨트롤 신호에 응답하여 클러칭 동작을 진행한다.
본 발명에서 일종의 옵션 방식으로서 상기 제1 가변 유압 모터는 변량 유압 펌프(variable displacement hydraulic pump)이고 상기 제2 가변 유압 모터는 변량 유압 모터이다. 다른 옵션 방식으로서 상기 제1 가변 유압 모터는 변량 양방향 이중(bidirectional duplex) 유압 펌프/모터이며, 상기 제2 가변 유압 모터는 변량 양방향 이중 유압 펌프/모터이다.
본 발명에서 상기 유압 제어장치는 제1 가변 유압 모터의 고압 오일 포트(oil port)에 연결된 제1 전자기 방향 전환 밸브(electromagnetic directional valve)와 제2 가변 유압 모터의 고압 오일 포트에 연결된 제2 전자기 방향 전환 밸브를 포함하며 상기 제1 전자기 방향 전환 밸브는 전자 제어장치의 컨트롤 신호에 응답하여 제1 가변 유압 모터의 고압 오일 포트가 기름 탱크에 직접 연결된 유압 회로와 서로 통하게 하거나 제2 전자기 방향 전환 밸브에 연결된 유압 회로와 서로 통하게 하고 제2 전자기 방향 전환 밸브는 전자 제어장치의 컨트롤 신호에 응답하여 제2 가변 유압 모터의 고압 오일 포트가 기름 탱크에 직접 연결된 유압 회로와 서로 통하게 하거나 제1 전자기 방향 전환 밸브에 연결된 유압 회로와 서로 통하게 한다.
상기 제1 전자기 방향 전환 밸브와 제2 전자기 방향 전환 밸브 사이의 유압 회로는 오버플로 밸브(overflow valve)를 통해 기름 탱크와 연결된다.
본 발명에서 상기 제1 가변 유압 모터의 고압 오일 포트와 제2 가변 유압 모터의 고압 오일 포트는 각각 체크 밸브(check valve)를 통해 기름 탱크와 연결됨으로써 오일 공급의 유압 회로를 형성한다.
본 발명에서 상기 제1 가변 유압 모터의 저압 오일 포트와 제2 가변 유압 모터의 저압 오일 포트는 유압 회로를 통해 서로 연결되며 또한 기름 탱크와 연결된다.
본 발명에서 상기 제1 가변 유압 모터의 저압 오일 포트와 제2 가변 유압 모터의 저압 오일 포트 사이의 유압 회로에는 히트싱크(heat sink)가 설치되어 있다.
본 발명에서 상기 제1 가변 유압 모터와 제2 가변 유압 모터의 오일 드레인 포트(Oil drain port)는 모두 필터(filter)를 통해 기름 탱크와 연결된다.
본 발명에서 상기 제1 가변 유압 모터와 제2 가변 유압 모터 사이의 유압 회로에는 유압식 에너지 저장장치가 설치하여 있고 제1 가변 유압 모터와/또는 제2 가변 유압 모터에서 기계 에너지를 유압 에너지로 전환할 때에 상기 유압식 에너지 저장장치는 상기 제1 가변 유압 모터와/또는 제2 가변 유압 모터가 출력한 유압 에너지를 저장하고 제1 가변 유압 모터와/또는 제2 가변 유압 모터에서 유압 에너지를 기계 동력으로 전환할 때에 상기 유압식 에너지 저장장치는 상기 제1 가변 유압 모터와/또는 제2 가변 유압 모터로에 유압 에너지를 출력한다.
본 발명에서 상기 유압식 에너지 저장장치는 전자 제어장치의 컨트롤 신호에 응답하여 단방향 연결과 직접 연결로 전환시키는 제어 밸브(control valve)를 통해 제1 전자기 방향 전환 밸브와 연결된다.
본 발명에서 상기 유압식 에너지 저장장치는 분리식 에너지 저장장치로서 2개 가스 경로(gas path)가 서로 통한 압력용기를 포함하며 그중에서 1개 압력용기 내에는 에어백이 설치되어 있다.
본 발명에서 상기 제1 전자기 방향 전환 밸브 및 제2 전자기 방향 전환 밸브와 유압식 에너지 저장장치 사이의 유압 회로에는 유압식 에너지 저장장치가 제1 전자기 방향 전환 밸브 및 제2 전자기 방향 전환 밸브와 서로 통하는 여부를 제어하는 온오프 밸브(on-off control valve)가 설치되어 있고 상기 온오프 밸브는 전자 제어장치의 컨트롤 신호에 응답하여 온오프 동작을 진행한다.
본 발명에서 상기 자동차 동력장치는 또 유압식 조력조향장치(Hydraulic Boost Steering device)를 포함하고 상기 유압식 조력조향장치의 고압 오일 입력 단자는 상기 유압식 에너지 저장장치와 연결된다.
본 발명에서 상기 자동차 동력장치는 또 유압 구동식 에어컨 압축기를 포함하고 상기 유압 구동식 에어컨 압축기의 고압 오일 입력 단자는 상기 유압식 에너지 저장장치와 연결된다.
본 발명에서 상기 자동차 동력장치는 또 유압식 제동 조력장치(hydraulic brake boost device)를 포함하고 상기 유압식 제동 조력장치의 고압 오일 입력 단자는 상기 유압식 에너지 저장장치와 연결된다.
본 발명에서 상기 전자 제어장치 내에 엔진 범용 특징 맵(engine universal performance characteristics map)이 저장되어 있으며, 또한 자동차 점화 스위치(ignition switch)의 위치 파라미터를 채집하는 위치센서, 가속 페달(accelerator pedal)의 위치 파라미터를 채집하는 위치센서, 기계식 브레이크 페달(brake pedal)의 위치 파라미터를 채집하는 위치센서, 차량속도 파라미터를 채집하는 차량속도 센서와 엔진의 회전속도 파라미터를 채집하는 엔진 회전속도 센서를 포함한다.
본 발명에서 상기 전자 컨트롤 센서는 또 각각 제1 가변 유압 모터와 제2 가변 유압 모터의 배기량 파라미터를 채집하는 배기량 센서를 포함한다.
본 발명에서 상기 전자 제어장치는 또 윤활유 압력을 채집하는 압력 센서를 포함한다.
본 발명에서 상기 자동차 동력장치는 또 유압식 지원 제동페달을 포함하며 상기 페달의 위치 파라미터는 위치센서를 통해 전자 제어장치로 입력된다.
본 발명에서 상기 전자 제어장치는 또 엔진의 냉각수 온도를 채집하는 온도센서를 포함한다.
본 발명에서 상기 자동차 동력장치는 또 자동차 동력장치의 동력 출력축에 연결된 모터와 1개 모터 컨트롤러를 포함하며 상기 모터는 충전전지를 통해 전력을 공급하며 상기 충전전지는 차량탑재의 전지 관리기와 연결되고 상기 모터 컨트롤러와 차량탑재의 전지 관리기는 전자 제어장치의 컨트롤 신호에 응답하여 각각 모터와 충전전지를 제어한다.
본 발명에서 상기 충전전지는 차량탑재의 스마트 충전기(smart charger)를 통해 외부 전원(external power supply)과 연결된다.
본 발명에서 상기 외부 전원은 주차장에 사용되는 전기량 계량과 요금 계산 기능을 가진 전원이다.
본 발명에서 상기 전자 제어장치는 유압 제어장치를 제어하여 제1 가변 유압 모터와 제2 유압 모터 사이의 유압 회로가 서로 통하게 하며, 또한 제1 가변 유압 모터와 제2 가변 유압 모터의 변량을 조절하여 제1 가변 유압 모터가 압력 오일을 출력하게 하며 제2 유압 모터의 회전축을 구동하여 회전하게 함으로써 상기 회전축과 연결된 동력 출력축의 동력출력이 유성기어기구의 구동 토크와 제2 가변 유압 모터가 출력한 토크의 합계를 얻게 하며, 자동차가 변속, 토크 변동을 하면서 주행하게 하는 제어를 진행한다.
본 발명에서 상기 전자 제어장치는, 자동차가 시동 또는 가속할 때에 가속 페달을 밟으면 제1 전자기 방향 전환 밸브와 제2 전자기 방향 전환 밸브를 제어하여 제1 유압 모터와 제2 유압 모터의 유압 회로를 연결하게 하며 또한 자동차 가속 페달과 엔진 조절판을 연동하여 전자 제어장치가 조절판 열린 정도(throttle opening)와 엔진의 회전속도에 따라 엔진 범용 특징 행렬(matrix)로부터 엔진이 출력한 토크 값을 얻으며 유성기어열의 토크 관계 방정식에 따라 태양기어의 토크를 얻어 정격 압력에서의 제1 유압 모터의 배기량 값을 계산하며 전자 제어장치는 신호를 출력하여 제1 유압 모터의 변량기구를 제어하며 대응되게 제1 가변 유압 모터는 압력 오일을 출력하고 제2 가변 유압 모터의 회전축을 구동하여 회전하면서 토크를 출력하며 상기 회전축의 출력은 유성기어열의 구동 토크와 유압 모터가 출력한 토크의 합계를 얻어 자동차가 가속되고 상기 제2 유압 모터의 배기량은 고압 오일 포트의 압력으로 자동 제어되며 그 압력이 높을수록 배기량이 증가하며, 압력이 낮을수록 배기량이 줄어들며, 압력이 0일 경우에 배기량은 0이 되도록 제어한다.
본 발명에서 차량속도가 예상치(predetermined value)에 도달하면 제어장치는 제2 전자기 방향 전환 밸브를 제어하여 제2 가변 유압 모터가 직접 기름 탱크와 연결하게 함으로써 제1 가변 유압 모터와의 연결을 차단하며 제1 가변 유압 모터가 제동되며 유성기어기구의 제어 단자는 라크(lock)되어 유성기어기구가 정속비(constant speed ratio)의 전동을 하게 하거나 상기 제어장치는 유성기어기구의 클러치를 제어하여 유성기어기구가 강체전동(rigid body transmission)을 하게 하도록 제어한다.
본 발명에서 차량속도가 예상치에 도달하면 상기 제어장치는 기계식 전동기구의 2단 또는 2단 이상 변속기어쌍 사이의 제2 클러치를 제어하여 클러칭 동작을 하게 함으로써 전동률의 전환을 진행한다.
본 발명에서 상기 제어장치는 자동차의 부하가 비교적 낮을 때에 상기 유성기어구조가 출력한 기계 동력의 일부는 기계식 전동장치를 통해 동력 출력축에 전달되어 자동차를 구동하여 주행하게 하고 다른 일부 기계 동력은 유압 제어장치를 통해 제1 가변 유압 모터와/또는 제2 가변 유압 모터를 제어하여 기계 에너지를 유압 에너지로 전환함으로써 유압식 에너지 저장장치에 저장하며, 자동차 동력수요가 증가할 때에 상기 유압 제어장치를 통해 제1 가변 유압 모터와/또는 제2 가변 유압 모터를 제어하여 유압식 에너지 저장장치에 저장된 유압 에너지가 기계 동력으로 전환하며 엔진을 지원하여 자동차를 구동하여 주행하게 하거나, 유압식 에너지 저장장치에 저장한 유압 에너지가 예정한 상한치에 도달할 경우에 엔진의 동력 출력을 정지하고 직접 유압 제어장치를 통해 제1 가변 유압 모터와/또는 제2 가변 유압 모터를 제어하여 유압 에너지를 기계 동력으로 전환함으로써 자동차를 구동하여 주행하게 하며, 유압식 에너지 저장장치에 저장한 유압 에너지가 동력수요를 만족시키지 못할 경우에 엔진의 동력 출력을 회복하여 다음 유압 에너지와 기계 에너지 전환의 순환과정을 진행하도록 제어한다.
본 발명에서 상기 제어장치는 엔진 동력의 출력기간에 상기 모터를 통해 일부 기계 에너지를 전기 에너지로 전환해 충전전지에 저장하고 자동차의 동력수요가 증가할 때에 모터 컨트롤러를 통해 모터를 제어하여 전기 에너지를 기계 동력으로 전환하며 엔진을 보조하여 자동차를 구동하여 주행하게 하거나 엔진이 동력 출력을 정지하는 기간에 모터를 제어하여 기계 동력을 출력하며 자동차를 구동하여 주행하게 하도록 제어를 진행한다.
본 발명에서 상기 자동차 동력장치의 변속, 토크 변동과 혼합동력의 주요원리에 관하여 운동학 차원에서 보면, 하나는 유성기어열의 차동 전동(differential transmission) 기능을 이용하여 변량 유압기구가 유성기어열을 제어하여 변속을 진행한다. 다른 하나는 유압식 전동 자체의 무단 변속 성능을 이용하여 변속을 진행한다. 에너지 흐름(energy stream)의 차원에서 보면, 입력한 에너지를 유성기어열을 통해 분해하여 일부는 유성기어열을 통해 출력 단자로 전달되고 다른 일부는 무단 변속기구에 분할한 후 직접 출력 단자에서 합성하여 분할 변속전동을 진행할 수도 있고, 에너지 저장장치를 통해 임시 저장한 후에 필요할 경우에 다시 출력되어 혼합동력의 전동을 실현할수도 있다. 그러나 유성기어열의 태양기어, 유성 케리어와 기어 링 사이의 토크 비례관계는 고정되어 있기 때문에 변속하여도 토크 변동을 하지 않는다. 자동차의 복잡한 부하 변화의 수요를 만족하기 위하여 반드시 대응되는 토크 컨버터(torque converter)를 제공하여 매칭하게 해야 한다. 전통적 방식은 유압 토크 변환기를 채택하며 동력 전동 경로를 변경시켜 달성한다. 본 발명은 변량 유압 펌프 - 가변 모터의 변속과 토크 변동 메커니즘을 이용하여 유성기어열과 배합한다. 변량 유압 펌프 - 가변 모터의 토크 비례는 양자의 배기량 비례와 같으며, 이론상으로 0 - 무한대의 범위에서 조절할 수 있으며 최대 출력 토크는 유압 모터의 최대 허용 토크 값에 의해 결정된다.
본 발명에서의 연결 또는 고정 연결은 연결되는 2개 부품 사이에 상대적 변위가 없는 동축(coaxial) 동기식 연결 또는 회전 속도비가 고정된 이축(non coaxil) 전동의 연결을 가리킨다. 전자는 조인트(Joint)의 연결, 납작 키(flat key), 스플라인(spline)과 칼라(collar)로 구성된 연결 등이 있으며, 후자는 기어, 벨트 휠(belt wheel), 스프로킷 휠(sprocket wheel) 등 전동 연결 등이 있다. 본 발명에서의 원주 방향 고정 연결은 연결된 2개 부품 사이에 상대적 각도 변위가 없는 동축동기식 연결 또는 정속비의 이축 전동 연결을 가리킨다. 그러나 축 방향 슬라이딩(sliding)을 허용한다. 예를 들면, 슬라이드 레일 (slide rail) 연결, 스플라인 연결 등이 있다.
본 발명 장치의 작동모드와 특징은 아래와 같다.
1) 자동차가 저속상태에서 엔진으로 시동하여 고효율로 작동된 후에 정지(shutdown) 또는 유휴상태에 있으면, 유압 또는 전기 구동 - 엔진의 재시동하여 작동하는 순환 작동모드는 엔진이 고효율로 운행하게 한다. 저장된 유압 에너지와 전력 에너지 등 보조 에너지가 있어 자동차가 주차 즉 엔진을 정지하여 에너지를 절약할 때에 만약 자동 제어를 하면 정지시기를 잘 제어할 수 없으며, 만약 인공 제어를 하면 또 너무 번거롭고 빈번하게 모터를 시동하여 효율이 낮고 전지와 모터의 수명을 낮추며 폐기 배출량이 늘어나는 난제를 해결했다.
2) 자동차가 중속 또는 고속상태에서 즉 고속도로에서 주행할 때에 큰 가속비의 기계식 전동을 채택하여 엔진이 자동차가 등속 운동을 할 때에 필요한 출력에 대응되는 최저 회전속도 부근에서 고효율로 작동하게 한다. 자동차가 큰 토크가 필요할 경우, 예를 들면 가속과 등반할 때에 우선 유압 모터로 보조 동력을 제공하고 다시 빠른 속도로 전동률을 낮춤으로써 출력 토크를 높여 시스템의 동력수요를 만족시킨다.
3) 자동차가 감속하여 활주할 경우에 전통적 방식은 메커니즘과 안전원인으로 중립위치(neutral position)에서 활주할 수 없어서 엔진이 제동역할을 하여 에너지를 낭비한다. 본 발명은 안전한 상태에서 중립위치에서의 활주를 자동으로 진행함으로써 연료 소모량을 낮춘다.
4) 자동차가 주차할 때에 엔진이 자동으로 정지된다.
5) 자동차가 제동할 때에 유압 모터와 전동기는 모두 제동역할을 하여 자동차의 운동 에너지를 회수한다.
상기 메커니즘과 기구의 합리한 배합을 채택하여 엔진, 유압 모터, 전동기가 각종 작동상태에서도 모두 고효율로 작동할 수 있도록 한다.
본 발명의 에너지 절약 효과는 아래와 같다:
1. 엔진의 열 전환의 효율을 향상:
엔진의 회전속도와 자동차의 속도는 더는 고정 비례의 관계가 아니므로 엔진이 일반적으로 고효율과 낮은 배출량의 속도와 부하상태에서 작동하게 할 수 있다. 특히, 자동차가 저속과 낮은 부하의 상태에서 엔진 시동 - 정치/유휴상태 순환 작동모드를 채택하며 유압과 전기 시스템을 통해 기존에 낭비한 에너지를 이용할 수 있어 엔진의 열 전환 효율을 대폭 높인다.
2. 유휴상태와 활주 상태에서의 엔진 에너지 소모량을 감소
본 변속장치를 통해 저속상태에서의 듀얼 모드 순환구동을 채택하여 자동차가 주차할 때에 엔진이 여전히 부하 운행을 하거나 정지하게 한 후에 회수한 유압 에너지 또는 전기 에너지로 다시 자동차를 구동하여 전진하며, 또한 필요할 경우에 빠르고 편리하게 유압 시스템을 통해 엔진을 시동한다. 엔진이 유휴상태에서의 에너지 소모를 절약하는 동시에 단순하게 자동차가 주차하면 엔진이 정지하는 방식을 채택하여 엔진을 빈번하게 시동하고 정지함으로써 발생하는 일련의 문제를 해결했다. 자동 중립위치에서의 활주 메커니즘을 채택하면, 안전한 상태에서 전통적 변속기가 빈번하게 중립위치로 전환할 수 없어 추가되는 엔진의 회전 에너지소모량 손실을 절약했다.
3. 전동 체인(transmission chain)의 손실을 감소
변속기 자체의 설계를 통해 매우 넓은 속도범위에서 매우 높은 전동 효율을 얻을 수 있으며, 효율이 비교적 낮은 유압 토크 변환기와 마찰식 클러치가 필요하지 않아 기계와 엔진이 과도 작동상태에서 필요한 에너지 소모량을 줄인다.
4. 제동 에너지를 회수
유압 모터와 유압식 에너지 저장장치를 제동 조력장치구로 하여 자동차가 주행할 때의 운동 에너지를 대부분 회수하며 자동차가 다시 시동할 때에 사용한다.
유압 모터의 출력이 매우 클 수 있기 때문에 유압식 에너지 저장장치의 에너지 저장속도와 효율은 전지조보다 높다. 그러므로 운동 에너지의 회수비례는 전기 에너지의 회수비례보다 높다. 또한 유압 에어컨 압축기로 기존의 기계식 압축기를 대체하고, 본 발명의 유압식 조력조향장치로 기존의 유압식 조력조향펌프를 대체하여 엔진의 에너지 소모량을 더 절약한다.
본 발명의 환경보호 효과는 아래와 같다:
1. 엔진이 자주 고효율과 낮은 배출량의 상태에서 작동하게 함으로써 엔진이 운행할 때의 폐기 배출량을 줄인다.
2. 도시 저속 도로상태에서의 듀얼 모드 운행을 채택하면 전통적 엔진이 주차 또는 유휴상태에서의 높은 오염을 피하며 단순한 주차 또는 정지한 후에 엔진이 빈번하게 시동함으로써 발생하는 추가 오염도 해결했다.
3. 플러그인 충전 모드를 통해 도시 시내지역에서 주로 전기 모터로 운행하여 폐기 배출량과 소음 오염을 대폭 줄인다.
4. 에너지 소모량을 약 절반 줄이며 동시에 폐기 배출량을 절반 줄인다.
본 발명과 기존 기술의 비교의 결과는 아래와 같다:
1. 기존의 각종 변속기와 비교하면, 첫째, 혼합동력을 통해 변속기가 해결할 수 없는 3대 난제, 즉 제동 에너지의 회수, 엔진이 저속과 낮은 부하상태에서의 낮은 효율 및 자동차가 중속과 고속상태에서의 동력성과 경제성의 모순을 해결했다.둘째, 0 - 최고 속도의 넓은 범위에서 고효율의 무단 변속은 기존의 변속기가 달성하기 어렵다. 기계 유압 분할방식의 무단 변속기구와 비교하여도 본 발명 장치는 2단 변속기구만으로 4개 고효율의 노드를 실현한다.
2. 기존의 기계전기식 혼합동력과 비교하면, 동등한 에너지 절약 효과의 전제에서 첫째, 본 발명의 장치는 원가가 높은 큰 출력의 모터, 전지조와 컨트롤러가 필요하지 않고 주로 낮은 원가의 기계식 전동과 유압식 전동을 채택하며 융통성 있게 배치되는 전력을 보충수단으로 함으로써 원가를 대폭 줄인다. 둘째, 유압 동력장치의 비일률(specific power)은 전기 모터보다 훨씬 높아 본 장치의 본체 치수와 중량이 작고 설치하기 쉽다. 특히, 기존의 차종에서 많이 바꾸지 않고도 달성할 수 있어 새로운 차종의 개발원가와 기존 차량의 개장원가를 낮출 수 있다. 이는 기존의 기계전기식 혼합기술이 달성하기 어려운 것이다.
3. 기존 기계 유압식 혼합기술과 비교하면, 본 발명 장치의 장점은 아래와 같다. 1) 혼합연결(hybrid connection), 출력 분할(power splitting), 다단계 전동(stepped transmission)의 기술을 채택하여 직렬, 병렬 또는 듀얼 모드의 혼합 구동을 채택하든지 유압 회로의 효율이 낮아 각종 작동상태에서의 고효율 전동을 진행하기 어려우며 기구가 복잡한 문제를 해결한다. 2) 높은 비에너지(specific energy)의 전력과 높은 출력의 유압을 도입하여 내연기관과 3원(tri - form) 혼합동력을 구성함으로써 장점을 취하고 단점을 보완하여 최적의 에너지 절약 효과를 거둔다. 단순한 기계 유압식 혼합전동은 비에너지가 낮아 시동 보조수단으로 할 수밖에 없으며 순환 구동이 어려워서 엔진을 빈번하게 시동해야 하는 결함을 극복했다.
상기 장치의 설계방안에서 컨트롤 메커니즘이 비교적 복잡하지만 실제 구조와 가공제조는 상대적으로 간단하다. 그중에서 주요 부품은 모두 성숙된 공업제품이 있다. 특별한 구조의 큰 출력 모터, 큰 출력 제어장치와 특별히 빠른 충전과 방전 특성이 있는 큰 용량의 전지조가 필요하지 않아 종합적 원가는 수동 변속기의 원가보다 높지만, 자동 변속기 시스템의 원가보다 낮으며 기존의 같은 에너지 절약 효과가 있는 기계전기식 혼합동력의 구동장치보다 더 경제적이다.
본 발명은 자동차의 부하특징과 엔진 동력특성에 의해 일종의 기계, 전기, 유압의 3원 혼합동력 기술을 채택한 에너지 절약장치를 제공한다. 에너지 절약장치의 구조가 상대적으로 간단하고 제조가 쉽고 작동이 편리하며 원가가 비교적 낮고 체적이 비교적 작다. 각종 부하의 변화에 적응하고 양호한 동력성과 쾌적성이 있으며 엔진 특성과 합리하게 배합되어 엔진이 일반적으로 고효율과 낮은 배기량의 상태에서 작동하게 하고, 주차상태에서의 엔진 정지와 제동 에너지의 회수를 실현할 수 있으며, 고효율의 무단 변속을 진행하고 플러그인 충전식 전기 에너지로 구동을 보조한다. 그러므로 자동차의 기존 변속기를 대체할 수 있으며 기존 자동차의 에너지 절약의 개장 또는 새로운 차종의 에너지 절약 구동을 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명 실시예 1의 무단 변속기 구조원리 설명도이다.
도 2는 NGW 유성기어열의 구조와 변속원리 설명도이다.
도 3은 실시예 1의 1단 전동 무단 변속기 기계구조 설명도이다.
도 4는 실시예 1의 두 줄 유성기어열 전동 무단 변속기의 기계구조 설명도이다.
도 5는 본 발명의 2단 기어변속기구를 설치한 기계구조 설명도이다.
도 6은 실시예 1의 유압 시스템 설명도이다.
도 7은 실시예 1의 제어 시스템 설명도이다.
도 8은 실시예 1의 프로그램 흐름도이다.
도 9는 본 발명 실시예 2의 무단 변속과 기계 유압식 혼합 구동 원리 설명도이다.
도 10: 본 발명 실시예 2의 제어 시스템 설명도.
도 11은 본 발명 실시예 3의 무단 변속과 기계 - 유압 - 전기 혼합 구동 원리 설명도이다.
도 12는 본 발명 실시예 2 또는 3의 유압 시스템 설명도이다.
도 13은 본 발명 실시예 3의 제어 시스템 설명도이다.
도 14는 본 발명 실시예 2 또는 3의 프로그램 흐름도이다.
도 15는 본 발명 실시예 2또는 3의 고압 에너지 저장장치 구조 설명도이다.
도 16은 본 발명의 실시예 2 또는 3의 저압 에너지 저장장치 - 밀폐식 기름 탱크 구조 정면도이다.
도 17은 본 발명의 실시예 2 또는 3의 저압 에너지 저장장치 - 밀폐식 기름 탱크구조 부감도이다.
도 18은 본 발명의 2단 기어변속기구가 설치된 기계구조 조립도이다.
실시예 1: 본 발명의 무단 변속기 장치
본 발명의 무단 변속기 장치는 도 1 - 8 및 도 18과 같으며, 주로 내연기관 101, 플라이 휠(flywheel) 102, 로커(locker)가 있는 차동 유성기어열 103, 기계식 전동기구 104, 동력 합성기와 메인 감속기 105, 옵션의 소형 유압식 에너지 저장장치 106, 제1 가변 유압 모터 107, 제2 가변 유압 모터 108, 유압 컨트롤러 109, 소형 저압 기름 탱크 110, 센서와 컨트롤러 111, 전자 제어 유닛트 112, 보조설비 113, 차동장치 114와 케이스(case) 120 등으로 구성된다.
본 발명 장치의 각 부품 사이 연결관계는 아래와 같다. 내연기관 101의 출력축은 플라이 휠 102를 통해 차동 유성기어열 103의 입력 단자와 고정되어 연결된다. 차동 유성기어열 103의 출력 단자는 기계식 전동기구 104의 입력축과 고정되어 연결된다. 기계식 전동기구 104의 출력축은 동력 합성기와 메인 감속기 105 및 구동기구 114와 차례로 고정되어 연결된다. 차동 유성기어열 103의 제어 단자는 제1 가변 유압 모터 107의 동력축과 고정되어 연결된다. 제2 가변 유압 모터 108의 동력축은 동력 합성기와 메인 감속기 105의 동력 합성축과 고정되어 연결된다. 플라이 휠 102, 차동 유성기어열 103, 기계식 전동기구 104, 동력 합성기와 메인 감속 기 105 및 차동장치 114는 모두 케이스 120 내에 설치된다.
제1 가변 유압 모터 107의 고압 단자, 제2 가변 유압 모터 108의 고압 단자, 보조설비 113의 유압기구 등은 모두 유압 컨트롤러 109를 통해 옵션 유압식 에너지 저장장치 106, 유압 기름 탱크 110와 유압 파이프라인으로 연결된다. 제1 가변 유압 모터 107의 저압 단자, 제2 가변 유압 모터 108의 저압 단자와 저압 기름 탱크는 유압 파이프라인으로 연결된다.
전자 제어 유닛트 112, 센서와 컨트롤러 111, 보조설비 113 및 시스템에서 컨트롤이 필요한 부품은 신호선 또는 컨트롤선으로 서로 연결된다.
본 발명의 구조원리와 작동방법을 더 상세하게 설명하기 위해, 본 발명의 장치를 기계 시스템, 유압 시스템, 보조 시스템과 전기 제어 시스템 등 4개 하위 시스템으로 나눈다.
본 발명 장치의 기계 시스템은 내연기관 101, 플라이 휠 102, 차동 유성기어열 103, 기계식 전동기구 104, 동력 합성기와 메인 감속기 105 및 차동장치 114 등을 포함한다.
그중에서 내연기관 101은 휘발유기관 또는 디젤기관일 수 있다. 동등한 출력 배치의 자동차에 대해 본 발명에 추가된 동력이 존재하기 때문에 배기량이 더 작은 엔진을 선택하여 사용할 수 있어 그 부하율(load ratio)과 효율을 높인다. 내연기관의 주축(main shaft)에 단방향 클러치 101a를 설치하여 역방향 회전을 방지하며, 단면 트러스트 베어링(end surface thrust bearing) 101b를 설치하여 주축이 받을 가능성이 있는 축 방향 힘(axial force)을 받도록 한다.
차동 유성기어열 103은 한 줄의 NGW 또는 NW형태(예를 들면, 도3, 도5에 도시된바와 같이)를 우선으로 선택하며, 기타 유형도 선택할 수 있다. 예를 들면, 두 줄 또는 몇 줄의 직렬 유성기어기구(예를 들면, 도4에 도시된바와 같이)는 Simpson형 또는 Ravigneaux형 등일 수 있다. 한 줄의 NGW유성기어열의 구조와 변속원리는 도 2를 참조하고, 태양기어 103a, 유성기어와 유성 케리어 103b, 기어 링 103c 등 3개 부품으로 구성된다. 유성 케리어 103b의 회전속도 p1이 변하지 않을 경우, 태양기어의 회전속도를 S - 1, S0, S1, S2, S3로 점점 증가하면 기어 링의 회전속도는 W3, W2, W1, W0, W - 1로 대응되게 점차 줄어든다. 유성기어열의 3개 부품은 시스템에서 각각 입력 단자, 출력 단자와 제어 단자로 사용되기 때문에 6가지 서로 다른 연결방식을 구성할 수 있다. 본 발명은 그중에서 태양기어 103a를 제어 단자로 하는 2가지 연결방식을 우선으로 선택한다. 즉, 유성기어열의 유성 케리어 103b를 입력 단자로 하며, 기어 링 103c를 출력 단자로 하는 연결방식 1과 유성기어열의 기어 링 103c를 입력 단자로 하며, 유성 케리어 103b를 출력 단자로 하는 연결방식 2가 있다. 엔진의 출력축은 플라이 휠을 거쳐 유성기어열의 입력 단자와 고정되어 연결되며, 엔진 동력은 유성기어열의 기어 링으로 입력되고 동력은 유성기어열의 출력 단자로부터 출력된다. 유성기어의 3개 운동 부품의 임의의 2개 사이에 유성기어 록 클러치(planet gear lock clutch) 103d를 설치하고, 전자기 컨트롤 또는 유압 컨트롤을 통해 유성기어의 분리와 접합을 실현한다. 록 클러치(아래 로커로 약칭)가 록 업(lock up)될 때에 유성기어는 고효율의 강체 전동을 진행하며, 로커(locker)가 분리될 때에 유성기어는 차동 전동을 진행함으로써 운동의 분해 또는 합성을 실현할 수 있다.
기계식 전동기구 104는 1단 또는 다단계 자동 오버러닝 전동(automatic overrunning transmission) 기능이 있는 기구이다. 자동 오버러닝 기능은 출력장치의 회전속도가 입력장치의 회전속도를 초과하여 자유롭게 회전하는 것을 가리킨다. 이로써 차동 유성기어열 103에서 동력 합성기와 메인 감속기 105 사이의 동력 전달, 전환, 중단 또는 초월을 실현한다. 오버러닝 전동의 목적은 아래와 같다. 1) 자동차가 주행과정에서 자동으로 중립위치의 활주를 진행함으로써 제1 가변 유압 모터 107의 무부하 마찰손실을 없앤다. 2) 제1 가변 유압 모터 107을 사용하여 무부하 상태에서 엔진을 시동하며 또한 자동으로 평온하게 전동 운행으로 전환함으로써 자동차의 주행에 영향을 주지 않는다. 3) 입력 동력과 출력 동력을 격리시켜 전환(shifting)이 쉽도록 한다. 특별히 설계한 무부하 드래그 토크(drag torque)가 매우 작고 회전 관성질량도 매우 작은 제1 가변 유압 모터 107을 사용할 때만이 자동 오버러닝 기능을 설정하지 않을 수 있다. 다단계 전동기구의 역할은 2가지가 있다. 첫째, 분할 전동과정에서 속도 조절과 출력 조절 링크(link)의 에너지 흐름비례가 비교적 크고 그 링크의 효율이 비교적 낮을 때에 전체 효율을 높이기 위해 다단계 전동기구를 설치함으로써 다단계(step - wise) 무단 속도 조절을 실현하며 속도 조절과 출력 조절 링크의 에너지 흐름 비례를 낮춘다. 둘째, 구조 치수의 제한을 받아 속도 조절과 출력 조절 링크의 토크가 시스템의 수요를 만족시키지 못할 때에 다단계 전동을 채택하여 속도 조절과 출력 조절 부품의 토크 요구를 낮춤으로써 속도 조절과 출력 조절 부품의 치수와 중량을 줄여 시스템의 설치가 편리하게 한다. 소형 자동차는 1 - 2단 전동을 채택하면 된다. 예를 들면, 2단 전동을 채택한다면 저속모드와 고속모드를 채택할수 있다. 대형 자동차는 2 - 4단 다단계 변속을 채택할 수 있다. 일반적으로 기존의 자동차 유단 변속기 변속수량의 1/3 - 1/5를 선택한다.
전동기구는 기어 세트 전동 또는 유성기어열 전동을 채택한다. 기어 세트 전동은 1단 전동 기어쌍(도 3을 참조) 또는 동기식 클러치 컨트롤이 있는 다단계 전동 기어쌍으로 나누며, 또한 전동 기어쌍은 모두 오버러닝 클러치가 있다.(도 4를 참조)
도 3은 1단 전동 기어쌍을 채택한 무단 변속장치이다. 도면에서 숫자와 부품은 아래와 같다.
101 - 자동차 내연기관
101a - 단방향 클러치
101b - 단면 트러스트 베어링
102 - 플라이 휠
103a - 유성기어열의 태양기어
103b - 유성기어열의 유성 케리어
103c - 유성기어열의 기어 링
103d - 유성기어의 로커
104 - 1a - 제1 전동축
104 - 1b - 유성기어 출력축 슬리브
104 - 2 - 제2 전동축/동력 출력축
104 - 3a - 기계식 전동기구의 구동기어(driving gear)
1 - 4 - 3b - 기계식 전동기구의 피동기어(driven gear)
104 - 3c - 오버러닝 클러치
104 - 4b - 메인 감속기의 구동기어
105a - 메인 감속기의 피동기어
114 - 차동장치
107 - 제1 가변 유압 모터
107a - 제1 가변 유압 모터의 변속기구
107b - 제1 가변 유압 모터의 오일 포트
108 - 제2 가변 유압 모터
108a - 제2 가변 유압 모터의 변속기구
108b - 제2 가변 유압 모터의 오일 포트
104 - 6a - 제1 가변 유압 모터의 구동기어
104 - 6a - 제1 가변 유압 모터의 피동기어
본 장치에서 엔진 출력축은 플라이 휠을 거쳐 유성기어열의 유성 케리어 103b과 고정되어 연결된다. 기어 링 103c는 유성기어 출력축 슬리브와 연결되어 출력한다. 단방향 클러치와 전동 기어쌍을 통해 동력을 제2 전동축으로 출력하며 또한 제2 가변 유압 모터와 연결된다. 제1 가변 유압 모터와 유성기어열의 태양기어는 기어쌍 104 - 6a, 104 - 6b를 통해 연결된다.
도 4는 2단 전동 기어쌍을 채택한 무단 변속장치이다. 도면에서 숫자와 부품은 아래와 같다.
104 - 3c - 내부링(inner ring)에 단면치(end surface teeth)가 있는 오버러닝 클러치
104 - 4a - 기계식 전동기구의 제2 전동 기어쌍 구동기어
104 - 4b - 기계식 전동기구의 제2 전동 기어쌍 피동기어
104 - 5a - 양면에 치가 있는 투스 임배디드식 클러치의 슬라이딩 링(sliding ring)
104 - 5b - 투스 임배디드식 클러치의 제어기구
104 - 4c - 내부링에 단면치가 있는 오버러닝 클러치
119a - 구동모터의 회전자(rotor)
119b - 구동모터의 고정자(stator)
나머지는 도 3을 참조한다.
본 장치에서 엔진 출력축은 플라이 휠을 거쳐 유성기어열의 기어 링 103c와 고정되어 연결된다. 유성 케리어 103b는 유성기어 출력축 슬리브와 연결되어 출력하고 단방향 클러치와 2단 변속기구를 통해 동력을 제2 전동축으로 출력하며, 또한 제2 가변 유압 모터와 연결된다. 제1 가변 유압 모터와 유성기어열의 태양기어는 기어쌍 104 - 6a, 104 - 6b를 통해 연결된다.
본 장치에서 2단 변속기어쌍의 결합과 분리는 부하제거 상태에서 진행하기 때문에 구조가 간단하고 작동이 편리한 동기식 장치가 있는 투스 임배디드식 전자 기 클러치를 채택한다. 오버러닝 클러치도 단방향 클러치라고도 부르며 쇄기식, 래칫 휠 (ratchet wheel)식과 롤러 (roller)식 등이 있다. 그중에서 쇄기식의 기술특성이 가장 좋다.
전동기구도 유성기어열을 채택할 수 있다. 도 5를 참조하면 숫자와 부품은 아래와 같다.
104 - 8a - 전동 유성기어열의 태양기어
104 - 8b - 전동 유성기어열의 유성 케리어
104 - 8c - 전동 유성기어열의 기어 링
104 - 8d - 전동 유성기어의 로커
104 - 8e - 전동 유성기어열의 태양기어 단방향 클러치
전동기구는 한 줄 또는 몇 줄의 기구를 채택할 수 있다. 한 줄의 유성기어열을 보면, 그 가속비 배합과 회전방향의 요구를 종합적으로 고려한 후, 3개 운동부품에서의 2개를 각각 입력과 출력으로 한다. 세 번째 운동부품, 즉 컨트롤부품에서 예를 들면 본 사례에서의 태양기어에 단방향 클러치를 설치하면 태양기어는 단방향 회전만 할 수 있게 하여 자동 오버러닝 기능이 있는 1단 변속기로 된다. 다시 기어 링, 유성 케리어와 태양기어의 임의의 2개 사이에 로커 104 - 8e를 설치하면 강체 동기식 전동과 변속을 진행할 수 있으며 유성기어열은 자동 오버러닝 기능이 있는 2단 변속기로 된다.
본 발명 장치의 유압 시스템은 도 6을 참조한다. 시스템은 옵션의 소형 유압식 에너지 저장장치 106, 제1 가변 유압 모터 107, 제2 가변 유압 모터 108, 유압 컨트롤러 109, 저압 기름 탱크 110 및 고압과 저압 연결 파이프라인 등을 포함한다.
그중에서 제1 가변 유압 모터 107은 적어도 1대 변량 유압 펌프이며, 제2 가변 유압 모터 108은 양방향 회전이 가능한 가변 모터로서 정방향 회전을 할 수도 있고 역방향 회전을 할 수도 있다. 최적의 선택은 제1 가변 유압 모터와 제2 가변 유압 모터가 모두 양방향 이중 변량 유압 펌프/모터장치로서 정방향 회전을 할 수도 있고 역방향 회전을 할 수도 있으며, 펌프로 사용할 수도 있고 모터로 사용할 수도 있는것이다. 제1 가변 유압 모터의 정격 토크는 엔진 정격 토크의 0.2 - 2배이며, 제2 가변 유압 모터의 정격 토크는 엔진 정격 토크의 0.5 - 5배이다. 본 발명의 실시예에서 사판식(swash plate) 변량 축 방향 플런저 펌프(plunger pump)/모터를 채택한다. 양방향과 이중의 요구로 인해 그 오일 분배 판 등은 대칭구조를 채택한다. 변량 사판은 양방향 편향을 할 수 있어 작동모드와 방향의 전환이 매우 간단하다. 만약 어느 방향으로 회전할 때에 변량 제어기구를 통해 변량 사판을 역방향 회전하게 하면 펌프와 모터의 작동상태를 전환한다. 정지상태에서 외계 동력의 구동이 없으면 고압 단자에 고압 오일이 통하면 유압 모터로 되어 변량 사판의 방향을 변경함으로써 회전방향을 변경할 수 있다. 유압 모터의 변량기구는 트러니언(trunnion) 구조, 스윙 플레이트 구조(swinging plate) 등 여러 가지 구조가 있다. 변량의 컨트롤과 구동도 서로 다른 방식이 있다. 트러니언 구조는 유압 기름 탱크를 통한 구동을 채택하거나 모터와 웜 기어(worm gear) 감속기를 통한 전기 모터 구동 등을 채택할 수 있다. 그러나 제어 모터는 스텝 모터(step motor), 토크 모터, 영구자석 DC 모터(permanent magnet DC motor) 등이 될 수 있다. 편폭의 제한을 받아 더 상세하게 소개하지 않는다. 본 발명의 장치에서 밀폐식 저압 기름 탱크를 채택할 때에 시스템의 누출 압력도 저압이다. 그러므로 유압 모터 케이스의 밀봉을 요구한다. 예를 들면, 축 단면의 오일 씰(oil seal)은 반드시 골격이 있어 압력을 받아야 하며 오일 누출을 막는다. 유압 모터는 기타 형식의 본 발명의 기능요구를 만족시키는 가변 펌프/모터를 선택하여 사용할 수도 있다. 예를 들면, 본 발명인이 발명한 일종의 변량 축 방향 플런저 펌프/모터가 있다.
본 발명에서 2개 유압 모터를 통합시켜 1개 케이스를 공유함으로써 치수를 줄이며 중량을 낮춘다.
유압 컨트롤러 109는 각 유압 부품 자체 및 상호 간의 연결, 단락, 차단, 방향 변환 및 안전보호를 실현한다. 도 6을 참조하면, 유압 컨트롤러 109는 몇 개 방향 제어 밸브, 오버플로 밸브와 연결 파이프라인 등으로 구성되며, 제1 가변 유압 모터 107의 메인 오일회로(main oil circuit) 전자기 방향 전환 밸브 307c, 체크 밸브 307d, 제2 가변 유압 모터 108의 메인 오일회로 전자기 방향 전환 밸브 308c, 체크 밸브 308d, 오버플로 밸브 306c, 필터 331, 저압 기름 탱크 110, 저압 파이프라인 338, 방열기(radiator) 339 등을 포함한다. 저압 기름 탱크의 대체방안은 개방식 기름 탱크와 가압 파이프 펌프(pressurized pipe pump)를 채택하는 것이다.
도 6과 마찬가지로, 제1 가변 유압 모터와 제2 가변 유압 모터의 메인 오일회로의 전자기 방향 전환 밸브 307c, 308c는 2-위치 3-회로(two-position three-way)의 과도 단락기능이 있는 전자기 방향 전환 밸브이다. P 포트는 고압과 연결되 고, T 포트는 저압 오일회로와 연결되며, A 포트는 유압 모터의 고압 오일 포트와 연결된다. 전자석(electromagnet)이 차단 또는 흡인되면, 유압 모터의 고압 오일 포트는 각각 고압 오일회로와 저압 오일회로와 통한다. 저압 오일회로와 통할 때에 그 유압 모터는 부하 제거와 단락에 상당하다. 그 밸브의 과도 단락기능은 A 포트와 T 포트가 통하게 함으로써 방향 변환의 충격을 줄이며 유압 모터를 보호한다.
제1 가변 유압 모터와 제2 가변 유압 모터의 메인 오일회로 체크 밸브 307d, 308d의 입구 포트는 저압 오일회로와 연결되며 출구 포트는 고압 오일회로와 연결된다. 이는 유압 모터의 고압 포트가 남김없이 빨리는 것(sucked dry)을 방지하기 위해 설치한 것이다.
오일 필터(oil filter) 331의 입구 포트는 제1 가변 유압 모터와 제2 가변 유압 모터의 오일 드레인 포트와 연결되고, 출구 포트는 저압 오일회로 338과 연결된다. 그 외에 유압 시스템에서 제1 가변 유압 모터와 제2 가변 유압 모터를 연결하는 저압 파이프라인 사이에 방열기 339를 설치하여 자동차가 주행할 때에 발생하는 자연기류를 냉각함으로써 유압 오일의 온도 평형을 유지한다. 옵션의 소형 유압식 에너지 저장장치를 고압 오버플로 밸브의 고압 오일 포트 앞에 설치하여 시스템 내의 유압 충격을 흡수하게 한다.
본 발명 장치의 보조 시스템 113은 냉각 시스템과 윤활 시스템을 포함한다.
본 장치의 정상적 작동을 보증하기 위해 유성기어열과 기계식 전동기구 등에 대해 윤활과 냉각을 진행해야 한다. 본 발명은 전동기 구동의 윤활유 펌프를 설치하여 윤활유 탱크, 필터와 오일 파이프라인을 통해 각 부품을 윤활 한다. 그중에서 유성기어열의 윤활은 매우 중요하다. 본 발명은 제1 전동축의 중심에 윤활유 통로를 설치하고 끝 부분에 회전식 오일 접속구를 설치하여 오일 공급 파이프라인과 연결한다.
본 발명 실시예 1의 전자 제어장치는 도 7, 도 8을 참조한다.
본 발명 장치의 전기 제어 시스템은 센서와 컨트롤러 111, 전자 제어 유닛트 112 등을 포함한다.
센서와 컨트롤러 111: 센서는 압력 측량, 온도 측량, 속도 측량, 위치 측량 등 센서를 포함하며, 자동차의 기존 센서를 충분히 이용할 수 있다. 컨트롤러는 바로 제어 집행기구로서 계전기(relay), 전자석, 소형 모터 등이 있다.
전자 제어 유닛트 112는 하드웨어와 소프트웨어 등 2개 부분으로 나눈다. 하드웨어는 다중 채널의 디지털 값과 아날로그 값의 입력과 출력이 있는 CPU 기능을 포함한 PC 컨트롤러이다. 전자 제어 유닛트 112는 센서와 컨트롤러 111을 통해 각종 변량 파라미터를 수집함으로써 전체 시스템의 운행을 제어한다. 소프트웨어는 자동 컨트롤 프로그램으로 구성되며 PC의 EPROM에 응결시켜 입력한다.(도 7을 참조)
전기 제어 시스템의 입력 파라미터는 아래와 같은 것을 포함한다.
501: 자동차 점화 스위치는 시스템의 가동과 엔진의 시동을 제어할 수 있다. 일반적으로 자동차는 0 - 차량 전원을 차단, 1 - 차량탑재의 보조설비에 전력 공급, 3 - 엔진에 전기를 공급, 4 - 시동 모터에 전기를 공급 등 4개 위치가 있다.
503: 가속 페달의 위치는 운전자가 가속 페달을 밟는 위치에 대응되며, 동력 DF= - 1, 0, 1, 2, 3, 4 등 6개 구간과 대응된다. 운전자의 오른발이 가속 페달에서 떠나는 것은 - 1에 해당되고, 가속 페달을 가볍게 밟는 것은 0에 해당되며, 끝까지 밟는 것은 +4에 해당된다.
505: 기계식 브레이크 페달을 운전자가 오른발로 밟는다.
506: 차량속도
507: 엔진의 회전속도
510: 엔진 범용 특징 맵
511: 윤활유 압력
514: 제1 유압 모터의 배기량
515: 제2 유압 모터의 배기량
그중에서 가속 페달의 위치와 보조제동 페달의 위치로 구동력의 DF 값을 확정할 때에 그 위치에서의 밟는 속도 보정값을 추가해야 한다. 즉, 현재 위치구간에서 밟는 속도에 따라 DF 값을 높이거나 낮추어서 운전자의 동력 수요를 나타낸다.
엔진 범용 특징 맵 510은 모델별 엔진 범용 특징 곡선행렬로서 EPROM에 응결시켜 입력된다. PC CPU는 엔진의 회전속도, 조절판 열린 정도에 따라 행렬로부터 수출할 토크 값을 얻으며 이로써 배합되는 변량 유압 펌프의 배기량을 계산한다.
전기 제어 시스템의 출력 제어는 아래와 같은 것을 포함한다.
601: 윤활유 펌프의 모터
608: 전자기 투스 임배디드식 변속 클러치
609: 전자기 클러칭 유성기어의 로커 103d
611: 제1 유압 모터의 메인 오일회로 방향 전환 밸브 307c
613: 제2 유압 모터의 메인 오일회로 방향 전환 밸브 308c
614: 제1 유압 모터 변량 제어
615: 제2 유압 모터 변량 제어
본 발명 장치의 컨트롤 소프트웨어는 18개 프로그램 모듈을 포함하며, 프로그램의 흐름도는 도 8을 참조한다. 각 프로그램 모듈의 기능은 아래와 같다.
701: 자동차 점화 스위치는 0에서 1까지이며, 제어 시스템이 전기를 공급하면 가동된다.
705: 점화 스위치는 1 - 2이며, 시스템이 초기화 테스트를 진행하고 각 입력 변량 파라미터를 검사한다. 유압 펌프와 유압 모터의 방향 전환 밸브를 통해 유압 펌프와 유압 모터를 단락시킨다.
708: 엔진이 시동하여 운행하는가를 판단한다.
709: 엔진이 이미 시동 되어 작동위치를 "전진 - D" 또는 "후진 - R"를 선택한다.
740: 작동위치를 "후진 - R"로 선택하면 시스템은 후진구동 모드를 선택한다.
713: 작동위치를 "전진 - D"로 선택하면 시스템은 프로그램 조합으로 과도하며 714로 전환된다.
714: 자동차 차량속도 V의 판단을 진행한다. 차량속도 V는 저속구간, 중속구간 과 고속구간 등 3개 속도구간으로 나눈다. 속도구간의 분할 값은 서로 다른 차 종과 각국의 도로상황에 따라 설정한다. 예를 들면, 소형 승용차의 저속구간은 V=0 - 60km/h, 중속구간은 V=60 - 125km/h, 고속구간은 V> 125km/h로 설정할 수 있다.
715: 저속구간은 2개 상태가 있다. 자동차가 시동 되어 차량속도가 0 - 제1 노드 속도까지 증가하며, 자동차가 저속일 경우에 차량속도는 제1 노드 - 제2 노드 속도 사이에 있다.
716: 자동차가 시동하면 시스템은 가속 페달의 위치와 페달 속도 및 제동 페달의 위치에 따라 구동력을 계산하거나 제동설정 여부를 판단하여 구동모드를 선택한다.
718: 자동차가 저속일 경우, 시스템은 가속 페달의 위치와 페달 속도 및 제동 페달의 위치에 따라 구동력을 계산하거나 제동설정 여부를 판단하여 구동모드를 선택한다.
719: 중속구간에서 시스템은 가속 페달의 위치와 페달 속도 및 제동 페달의 위치에 따라 구동력을 계산하거나 제동설정 여부를 판단하여 구동모드를 선택한다.
720: 고속구간에서 시스템은 가속 페달의 위치와 페달 속도 및 제동 페달의 위치에 따라 구동력을 계산하거나 제동설정 여부를 판단하여 구동모드를 선택한다.
741 - 744: 각각 자동차 시동, 자동차 저속, 중속구간, 고속구간에 해당되며, 시스템은 구동력의 크기 또는 제동 여부에 따라 각각 서로 다른 구동모드에서 운행한다.
그 외에 시스템은 응급처리와 에러 진단의 프로그램 모듈과 시스템 파라미터의 설정모듈도 포함한다.
서로 다른 상태와 서로 다른 속도구간에서 자동차의 동력수요 DF를 7개 모드로 세분화하며, 그 정의는 아래와 같다.
DF= - 3: 기계와 유압 보조의 공동 제동이다. 운전자가 오른발로 기계 제동 페달을 밟고 왼발로 유압식 지원 제동페달을 밟아 진행하며, 일반적으로 긴급 제동에 사용된다.
DF= - 1: 중립위치에서의 활주이다. 운전자가 오른발을 가속 페달에서 떠나면 자동차는 관성 운행을 하며, 롤링 저항력(rolling drag)과 바람 저항력(wind drag) 등 자동차의 자연 저항력(natural drag)의 작용으로 감속된다.
DF=0: 자동차 등속 전진이다. 운전자는 오른발로 가속 페달을 가볍게 밟으면 된다.
DF=+1 ~ +4는 각각 아래와 같다. +1: 자동차 느린 가속 또는 작은 경사도의 언덕을 등반(경사도 0 - 10%), +2: 중간 속도의 가속 또는 중간 경사도의 언덕을 등반(경사도 10 - 20%), +3: 빠른 가속 또는 큰 경사도의 언덕을 등반(경사도 20 - 30%), +4: 급한 가속 또는 가파른 경사도의 언덕을 등반(경사도 > 30%). 가속도의 크기는 자동차 종류와 속도구간에 따라 설치한다. 예를 들면, 소형 자동차가 저속구간에서 대응되는 가속도는 각각 a=0 - 1m/s2, a=1 - 2m/s2, a=2 - 3m/s2와 a >3m/s2이다.
본 발명의 장치는 4개 고효율 전동위치가 있는 제로(zero)부터 시작할 수 있는 무단 변속기이다.
아래에서 구체적 작동상태과 결합시켜 변속기의 작동방식을 설명한다.
엔진 시동: 유압 펌프는 제로 배기량 상태에 있고, 유성기어열의 태양기어는 마음대로 회전할 수 있으며, 기존의 자동차 시동장치를 사용하여 엔진을 시동한다. 이때의 자동차 속도는 0이며, 태양기어는 고속으로 역방향 회전을 한다.
자동차의 시동과 가속: 가속 페달을 밟으면 전자 제어장치는 제1 전자기 방향 전환 밸브와 제2 전자기 방향 전환 밸브를 제어하여 제1 가변 유압 모터와 제2 가변 유압 모터의 고압 오일회로를 연결하며, 자동차의 가속 페달과 엔진 조절판을 연동한다. 전자 제어장치는 조절판 열린 정도와 엔진의 회전속도에 따라 엔진 범용 특징 행렬에서 엔진의 출력 토크 값을 얻고, 유성기어열의 토크 관계 방정식으로 태양기어의 토크를 구하며, 정격 압력에서 제1 가변 유압 모터의 배기량을 계산한다. 전자 제어장치의 출력 신호는 제1 가변 유압 모터의 변량기구를 제어하고, 대응되게 제1 가변 유압 모터는 압력 오일을 출력하면 제2 가변 유압 모터가 구동하여 회전되면서 토크를 출력하여 출력축은 유성기어열의 구동 토크와 유압 모터가 출력하는 토크의 합계를 얻음으로써 자동차를 가속한다. 제2 가변 유압 모터의 배기량은 고압 파이프라인 내의 압력으로 자동 제어한다. 파이프라인 내의 압력이 높아지면 배기량이 증가하고, 압력이 낮아지면 배기량이 줄어들며, 압력이 0이면 배기량이 0이다. 엔진 조절판 열린 정도는 가속 페달 값이 증가하면서 증가하고, 출력 토크가 증가되며 회전속도가 높아진다. 최대 토크는 제1 가변 유압 모터 107의 최대 배기량, 최고 회전속도와 제2 가변 유압 모터 108의 최대 배기량에 의해 결정된다. 차량 속도가 높아지면서 태양기어의 회전속도도 낮아진다. 이때에 제2 전자기 방향 전환 밸브를 통해 제2 가변 유압 모터를 단락시키고, 제1 가변 유압 모터 와의 연결을 차단하면, 제1 가변 유압 모터는 제동되며 태양기어는 록 업(lock up)이 된다. 유성기어열의 클러치로 흡인하여 유성기어열이 강체 전동을 할 수 있다.
자동차의 등속 주행: 자동차가 가속된 후에 등속 상태로 되면 필요한 토크와 출력은 급격히 줄어든다. 가속 페달이 복위되면서 엔진 속도가 낮아지며, 제1 가변 유압 모터 107의 배기량도 줄어든다. 만약 가속 페달이 0으로 복위되면 제1 가변 유압 모터와 제2 가변 유압 모터의 배기량도 0으로 된다. 이때에 유성기어열은 자유상태에 있어 중립위치 활주에 상당하며 엔진은 유휴상태에 있게 된다. 태양기어를 록 업(lock up)할 경우에 제1 가변 유압 모터 107을 차단하면 된다. 이때에 변속기는 정속비의 고효율 전동기구로 된다. 자동차가 고속으로 주행할 때에 로커 103d를 통해 유성기어를 록 업(lock up)을 할 수 있으며, 유성기어열은 동기식 회전을 함으로써 강체 전동을 진행하고 전동 효율은 100％에 도달한다.
자동차의 감속 제동: 제1 가변 유압 모터와 제2 가변 유압 모터의 입력과 출력을 단락시키면 배기량은 급격히 제로(zero)로 낮아지면서 자동차가 제동할 때에 엔진이 부하가 없게 하며 유휴상태에 있어 정지(shutdown)하지 않게 한다.
자동차의 후진: 제1 가변 유압 모터 107의 배기량을 작게 조절하고 제2 가변 유압 모터 108의 변량 사판을 역방향 회전하여 크게 조절하며, 제2 가변 유압 모터를 역방향 회전하여 메인 전동 체인(main transmission chain)의 정방향 토크를 극복하면서 자동차를 구동하여 후진한다. 이때에 유성기어열의 태양기어는 고속으로 회전한다.
이로써 알다싶이, 본 시스템의 제어는 상대적으로 간단하여 넓은 범위에서의 변속과 토크 변동을 실현할 수 있어 엔진이 자동차의 어느 속도와 부하에서 최적의 작동상태를 유지할 수 있다. 상기 변속기는 전통적 수동 유단 변속기와 비교할때, 자체 효율은 비슷하다. 그러나 빈번한 수동 작동이 필요하지 않아 전환(shifting) 클러치와 전환(shifting) 충격이 없으며 엔진의 동력 특성과 잘 배합된다. 엔진은 언제나 고효율로 작동할 수는 없지만 같은 출력선(power contour line)을 따라 그 부하에서의 가장 경제적 작업 포인트로 이전하여 일부 오일 절약의 목적을 달성할수 있어 동력성과 경제성의 궁지에 빠질 필요가 없다. 상술변속기는 유압 유성기어열의 자동 변속기와 비교할때, 효율이 높고 조작과 제어가 간단하며 전환(shifting)이 평온하고 원활하여 엔진의 동력과의 최적화 배합이 더 편리하다. 신형 금속벨트식 무단 변속기와 비교하면, 변속범위가 넓고 전달하는 토크가 크며, 효율이 높고 응답이 빨라 클러치를 시동할 필요가 없다.
실시예 2: 기계 유압식 혼합 구동 장치
본 실시예의 장치는 도 9와 같으며, 주로 내연기관 101, 플라이 휠(flywheel) 102, 로커(locker)가 있는 차동 유성기어열 103, 기계식 전동기구 104, 동력 합성기와 메인 감속기 105, 유압식 에너지 저장장치 106, 제1 가변 유압 모터 107, 제2 가변 유압 모터 108, 유압 컨트롤러 109, 소형 저압 기름 탱크 110, 센서와 컨트롤러 111, 전자 제어 유닛트 112, 보조설비 113, 차동장치 114와 케이스(case) 120 등으로 구성된다.
본 발명 장치의 각 부품 사이 연결관계는 아래와 같다.
내연기관 101의 출력축(output shaft)은 플라이 휠 102를 통해 로커가 있는 차동 유성기어열 103의 입력 단자와 고정되어 연결된다. 차동 유성기어열 103의 출력 단자는 기계식 기계 전동기구 104의 입력축(input shaft)와 고정되어 연결된다. 기계식 전동기구 104의 출력축은 동력 합성기, 메인 감속기 105 및 구동기구 114와 차례로 고정되어 연결된다. 차동 유성기어열 103의 제어 단자는 제1 가변 유압 모터 107의 동력축(power shaft)과 고정되어 연결된다. 제2 가변 유압 모터 108의 동력축은 동력 합성기와 메인 감속기 105의 동력 합성축(power synthesizing shaft)과 고정되어 연결된다. 플라이 휠 102, 차동 유성기어열 103, 기계식 전동기구 104, 동력 합성기와 메인 감속기 105 및 차동장치 114는 모두 케이스 120 내에 설치된다.
제1 가변 유압 모터 107의 고압 단자, 제2 가변 유압 모터 108의 고압 단자, 보조설비 113의 유압기구 등은 모두 유압 컨트롤러 109를 통해 유압식 에너지 저장장치 106, 유압 기름 탱크 110와 유압 파이프라인(hydraulic pipeline)으로 서로 연결한다. 제1 가변 유압 모터 107의 저압 단자, 제2 가변 유압 모터 108의 저압 단자와 저압 기름 탱크는 유압 파이프라인으로 서로 연결한다.
전자 제어 유닛트 112, 센서와 컨트롤러 111, 보조설비 113 및 시스템에서 컨트롤이 필요한 부품은 신호선 또는 컨트롤선으로 서로 연결한다.
본 발명의 구조원리와 작동방법을 더 상세하게 설명하기 위해, 본 발명의 장치를 기계 시스템, 유압 시스템, 보조 시스템과 전기 제어 시스템 등 4개 하위 시스템으로 나누며, 본 발명의 2단 기계 변속기구가 있는 무단 변속기를 결합시켜 설명한다.
본 발명 장치의 기계 시스템은 도 5와 실시예 1에서 동 기구에 대한 구체적 설명을 참조한다.
본 발명 장치의 유압 시스템은 도 12를 참조한다. 시스템은 유압식 에너지 저장장치 106, 제1 가변 유압 모터 107, 제2 가변 유압 모터 108, 유압 컨트롤러 109, 저압 기름 탱크 110 및 고압과 저압 연결 파이프라인 등을 포함한다.
그중에서: 제1 가변 유압 모터 107과 제2 가변 유압 모터 108은 모두 양방향 이중(bidirectional duplex) 가변 펌프/모터로서 정방향 회전을 할 수도 있고 역방향 회전을 할 수도 있으며, 펌프로 사용할 수도 있고 모터로 사용할 수도 있다. 제1 변량 유압 모터의 정격 토크는 엔진 정격 토크의 0.2 - 2배이며, 제2 변량 유압 모터의 정격 토크는 엔진 정격 토크의 0.5 - 5배이다. 그 구조 특징은 실시예 1에서의 설명을 참조한다. 본 실시예에서 제1 가변 유압 모터와 제2 가변 유압 모터의 변량기구는 유압 실린더(hydraulic cylinder)로 구동한다.
유압 컨트롤러 109는 각 유압 부품 자체 및 상호 간의 연결, 단락, 차단, 방향 변환 및 안전보호를 실현한다. 도 12를 참조하면, 유압 컨트롤러 109는 몇몇개의 제어 밸브, 오버플로 밸브와 연결 파이프라인 등으로 구성되며, 제1 가변 유압 모터 107의 변량 제어 기름 탱크 307a, 전자기 방향 전환 밸브 307b, 메인 오일회로의 전자기 방향 전환 밸브 307c, 307e, 체크 밸브 307d, 307f, 제2 가변 유압 모터 108의 변량 제어 기름 탱크 308a, 전자기 방향 전환 밸브 308b, 메인 오일회로전자기 방향 전환 밸브 308c, 체크 밸브 308d, 유압식 에너지 저장장치 106의 전자기 방향 전환 밸브 306a, 백업 안전밸브(safety valve )(생략할 수 있음) 306b, 오 버플로 밸브 306c, 옵션의 에어 탱크306d, 유압 에어컨 841의 전자기 방향 전환 밸브 341, 필터 331, 저압 기름 탱크 110, 옵션의 예정한 저압 기름 탱크 332와 가압 파이프 펌프 335, 유압 방향조정 보조 기름 탱크840의 방향 전환 밸브 340a, 감압 밸브(reducing valve) 340b, 가변 기름 탱크 제어 오일회로 댐퍼(damper) 330, 고압 연결 파이프라인 337, 저압 파이프라인 338, 방열기 339 등을 포함한다.
제1 변량 유압 모터와 제2 변량 유압 모터의 메인 오일회로의 전자기 방향 전환 밸브 307c, 308c는 2-위치 3-회로(two-position three-way)의 과도 단락기능이 있는 전자기 방향 전환 밸브이다. P 포트는 고압과 연결되고, T 포트는 저압 오일회로와 연결되며, A 포트는 유압 모터의 고압 오일 포트와 연결된다. 전자석이 차단 또는 흡인되면, 유압 모터의 고압 오일 포트는 각각 고압 오일회로와 저압 오일회로와 통한다. 저압 오일회로와 통할 때에 그 유압 모터는 부하 제거와 단락에 상당하다. 그 밸브의 과도 단락기능은 A 포트와 T 포트가 통하게 함으로써 방향 변환의 충격을 줄이며 유압 모터를 보호한다. 제1 변량 유압 모터와 제2 변량 유압 모터의 메인 오일회로 체크 밸브 307d, 308d의 입구 포트는 저압 오일회로와 연결되며 출구 포트는 고압 오일회로와 연결된다. 이는 유압 모터의 고압 오일회로가 남김없이 빨리는 것(sucked dry)을 방지하기 위해 설치한 것이다. 제1 가변 유압 모터의 메인 오일회로 방향 전환 밸브 307e의 P 포트는 고압 오일회로와 연결되고, A 포트는 제1 가변 유압 모터의 고압 오일 포트와 연결되며 스위치 역할만 한다. 307e가 연결될 때에 체크 밸브 307f가 단락되며 제1 가변 유압 모터는 펌프로 사용할 수도 있고 모터로 사용할 수도 있다. 307e가 차단될 때에 체크 밸브 307f가 작 동되며 제1 가변 유압 모터는 펌프로만 사용할 수 밖에 없다. 307e와 307f는 제1 가변 유압 모터가 시스템 컨트롤에서의 실수 또는 에러가 발생할 때에 폭주하거나(runaway) 엔진이 고속 회전하면서 엔진과 유압 모터를 손상하는 것을 방지하기 위해 설치한 것이다.
제1 가변 유압 모터와 제2 가변 유압 모터의 변량 제어 방향 전환 밸브 307b와 308b는 3-위치 4-회로(three-position four-way)의 중간 위치에서 셀프록킹(self-locking)이 있는 전자기 방향 전환 밸브이다. P 포트는 댐퍼 330을 통해 고압 오일회로와 연결되고, T 포트는 저압 오일회로와 연결되며, A, B 포트는 각각 가변 기름 탱크의 좌우 공동과 연결되어 가변 기름 탱크의 정방향과 역방향 회전과 위치유지를 제어할 수 있다. 댐퍼 330은 압력 보상이 있는 조절판 또는 속도 조절기(speed variator)로서 그 역할은 기름 탱크의 동적인 응답속도를 조절하는 것이다.
유압식 에너지 저장장치 106의 전자기 방향 전환 밸브 306a는 특별한 설계구조이다. 그중에서 과도 기능은 O형이며, 복위 스프링측에 단방향 댐퍼를 설치하여 전자기 밸브가 고압 오일회로와 연결되는 속도를 낮추며 유압 충격을 줄인다.
오일 필터331의 입구 포트는 제1 변량 유압 모터와 제2 변량 유압 모터의 오일 드레인 포트와 연결되고, 출구 포트는 저압 오일회로 338과 연결된다. 메인 저압 기름 탱크를 자동차의 트렁크(trunk) 내에 설치할 때에 저압 오일 파이프라인이 비교적 길고 또한 저압 기름 탱크의 압력은 너무 높을 수 없으므로 유압 모터의 오일 주입구(oil inlet port)의 유압 동력이 부족하기 때문에 남김없이 빨리는 (sucked dry) 현상이 쉽게 발생한다. 그러므로 유압 모터에 접근하는 곳에 작은 용량의 저압 기름 탱크 332를 예정하며 저압 오일회로와 연결한다. 본 발명의 장치도 체적이 작고 중량이 가벼운 개방식 기름 탱크를 채택할 수 있다. 그러나 유압 모터의 안정된 오일 흡인을 보증하기 위해 오일 공급 파이프라인에 원심식 가압 펌프(centrifugal pressuring pump) 335를 추가로 설치해야 한다. 원심식 가압 펌프 335는 양방향 회전의 고압 기어펌프 또는 속도 조절 모터로 구동할 수 있으며, 전기 제어 유닛트로 작동상태에 따라 제어함으로써 원가가 높아진다. 그 외에 유압 시스템에서 저압 파이프라인 사이에 방열기 339를 설치하여 자동차가 주행할 때에 발생하는 자연기류를 냉각함으로써 유압 오일의 온도 평형을 유지한다.
본 발명 장치의 보조 시스템 113은 냉각과 윤활 시스템, 유압 에어컨 압축기, 유압식 조력조향장치와 제동 보조장치 등을 포함한다.
1. 냉각과 윤활 시스템: 본 장치의 정상적 작동을 보증하기 위해 유성기어열과 기계식 전동기구 등에 대해 윤활과 냉각을 진행해야 한다. 본 발명은 전동기 구동의 윤활유 펌프를 설치하여 윤활유 탱크, 필터와 오일 파이프라인을 통해 각 부품을 윤활 한다. 그중에서 유성기어열의 윤활은 매우 중요하다. 본 발명은 제1 전동축의 중심에 윤활유 통로를 설치하고 끝 부분에 회전식 오일 접속구를 설치하여 오일 공급 파이프라인과 연결한다.
2. 유압 에어컨 압축기: 전통적 자동차에서 엔진으로 에어컨 압축기를 구동하여 작동하며, 전자기 클러치를 통해 제어된다. 자동차가 주차할 때에도 반드시 엔진을 가동하여 유휴상태로 구동해야 한다. 이때에 엔진의 효율이 매우 낮고, 엔 진 수온이 너무 높으며, 냉각 팬도 끊임없이 작동해야 함으로써 전기 부하가 높아진다. 그러므로 에어컨의 오일 소모량이 크며, 에어컨을 가동하는 것이 에어컨을 가동하지 않는 것보다 일반적으로 연료 소모량이 10 - 20% 증가한다. 본 발명은 일종의 유압 오일로 구동하는 에어컨 압축기를 설계한다. 에어컨 압축기는 유압식 에너지 저장장치에서의 고압 오일로 구동한다. 전통적 에어컨 압축기를 채택할 수 있지만 고압 기어 모터로 구동한다. 더 좋은 솔루션은 발명자의 다른 발명 특허로 소개한다.
3. 유압식 조력조향장치: 전통적 방향조정 보조장치는 엔진으로 유압 방향조정 펌프를 구동하여 방향조정 보조 기름 탱크 840에 오일을 공급한다. 그러나 유압 펌프와 엔진이 직접 연결되어 자동차가 저속으로 주행할 때에 고압 대유량 유압 오일의 보조가 필요하며, 고속으로 주행할 때에는 보조를 줄여야 하지만 엔진의 회전속도는 그와 반대된다. 그러므로 고속상태에서 낭비하게 된다. 본 시스템은 고압 오일이 있기 때문에 시스템에 1개 제어장치를 추가로 설치하면 에너지 저장장치에서의 압력 오일을 이용하여 방향조정 보조를 진행할 수 있다. 그 솔루션은 발명자의 다른 발명 특허로 소개한다.
4. 제동 보조장치: 전통적 제동 보조장치는 엔진 실린터의 흡기 사이클에서 발생하는 진공으로 실현한다. 본 발명 장치에서 자동차가 저속으로 주행할 때에 일부 시간에 엔진이 정지(shutdown)하도록 한다. 유압 제동 보조장치를 추가로 설치하지만 긴급 제동을 진행할 때에 제동 토크가 부족하기 때문에 본 발명은 2가지 방안을 제출한다. 첫째, 기존의 진공 보조 시스템을 변화시키지 않고 전기 진공 펌프 를 증설하여 엔진이 정지(shutdown)될 때에 가동한다. 둘째, 진공 보조시스템을방향조정 보조 기구와 유사한 유압 제동 보조장치로 변화시켜 시스템의 치수가 많이 줄어든다.
본 발명 장치의 전기 제어 시스템은 센서와 컨트롤러 111, 전자 제어 유닛트 112 등을 포함한다.
센서와 컨트롤러 111: 센서는 압력 측량, 온도 측량, 속도 측량, 위치 측량 등 센서를 포함하며, 자동차의 기존 센서를 충분히 이용할 수 있다. 컨트롤러는 바로 제어 집행기구로서 계전기(relay), 전자석, 소형 모터 등이 있다. (도 10을 참조)
전자 제어 유닛트 112는 하드웨어와 소프트웨어 등 2개 부분으로 나눈다. 하드웨어는 다중 채널의 디지털 값과 아날로그 값의 입력과 출력이 있는 CPU 기능을 포함한 PC 컨트롤러이다. 전자 제어 유닛트 112는 센서와 컨트롤러 111을 통해 각종 변량 파라미터를 수집 함으로써 전체 시스템의 운행을 제어한다. 소프트웨어는 자동 컨트롤 프로그램으로 구성되며 PC의 EPROM에 응결시켜 입력한다.(도 7을 참조)
전기 제어 시스템의 입력 파라미터는 아래와 같은 것을 포함한다.
501: 자동차 점화 스위치는 일반적으로 0 - 3 등 4개 위치가 있으며 엔진의 시동을 제어할 수 있다.
502: 터치식 컨트롤 디스플레이(touch control display)는 시스템 운행 파라미터, 에러 파라미터와 입력 제어 파라미터를 나타낸다.
503: 가속 페달의 위치는 운전자가 가속 페달을 밟는 위치에 대응되며, 동력 DF= - 1, 0, 1, 2, 3, 4 등 6개 구간과 대응된다. 운전자의 오른발이 가속 페달에서 떠나는 것은 - 1에 해당되고, 가속 페달을 가볍게 밟는 것은 0에 해당되며, 끝까지 밟는 것은 +4에 해당된다.
504: 유압식 지원 제동페달의 위치에서 운전자의 왼발로 페달을 밟으면 시스템은 유압식 에너지 저장장치의 압력과 위치량에 따라 제2 가변 유압 모터의 배기량 설정을 계산한다.
505: 기계식 브레이크 페달을 운전자가 오른발로 밟는다.
506: 차량속도
507: 엔진의 회전속도
508: 유압식 에너지 저장장치의 압력
510: 엔진 범용 특징 맵
511: 윤활유 압력512: 엔진 냉각수 온도
514: 제1 가변 유압 모터의 배기량
514: 제2 가변 유압 모터의 배기량
516: 엔진 조절판의 위치
그중에서 가속 페달의 위치와 보조제동 페달의 위치로 구동력/제동력의 DF 값을 확정할 때에 그 위치에서의 밟는 속도 보정값을 추가해야 한다. 즉, 현재 위치구간에서 밟는 속도에 따라 DF 값을 높이거나 낮추어서 운전자의 동력 수요를 나타낸다.
엔진 범용 특징 맵은 모델별 엔진 범용 특징 곡선행렬로서 EPROM에 응결시켜 입력된다. PC CPU는 엔진의 회전속도, 조절판 열린 정도에 따라 행렬로부터 수출할 토크 값을 얻으며 이로써 배합되는 변량 유압 펌프의 배기량을 계산한다.
전기 제어 시스템의 출력 제어는 아래와 같은 것을 포함한다.
601: 윤활유 펌프의 모터
602: 시동 모터
603: 유압 에어컨 압축기의 방향 전환 밸브
604: 제동 조력장치
605: 유압 방향조정 조력장치의 방향 전환 밸브
608: 전자기 투스 임배디드식 변속 클러치
609: 전자기 클러칭 유성기어의 로커 103d
610: 유압식 에너지 저장장치용 밸브 306a
611: 제1 가변 유압 모터의 메인 오일회로 방향 전환 밸브 307c
612: 제1 가변 유압 모터의 메인 오일회로 방향 전환 밸브 307e
613: 제2 가변 유압 모터의 메인 오일회로 방향 전환 밸브 308c
614: 제1 가변 유압 모터 가변 기름 탱크 제어 방향 전환 밸브 307b
615: 제2 가변 유압 모터 가변 기름 탱크 제어 방향 전환 밸브 308b
616: 엔진 조절판의 제어 모터
본 발명 장치의 컨트롤 소프트웨어는 32개 프로그램 모듈을 포함하며, 프로그램의 흐름도는 도 7을 참조한다. 각 프로그램 모듈의 기능은 아래와 같다.
701: 자동차 점화 스위치는 0에서 1까지이며, 제어 시스템이 전기를 공급하면 가동된다.
702: 시스템은 비밀번호방식과 지문방식 등 2가지 방식으로 ID 식별 입력을 시작한다.
703: 시스템은 ID 검증의 진위를 판단한다. 정확할 경우에 705로 들어가며, 틀릴 경우에 704로 들어가 시스템은 다시 입력할 것을 알리며 3번 잘못 입력하면 시스템은 닫힌다.
704: 시스템이 닫혀 운행이 중지되며, 음성 경보, 단문메시지 경보 등 에러 경보가 울린다.
705: 점화 스위치는 1 - 2이며, 시스템이 초기화 테스트를 진행하고 각 입력 변량 파라미터를 순차로 검사한다.
706: 만약 엔진 냉각수의 온도가 설정치보다 낮으면 707로 전환하며, 설정치보다 높으면 709로 전환한다.
707: 제1 가변 유압 모터와 제2 가변 유압 모터를 단락시킨다. 즉 Vf, Vs=0, 전동기가 정전되며 Em=0이다.
708: 제1 시동 방식으로 엔진을 시동하며, ICE on1은 엔진 예열 운행으로 전환한다.
709: 엔진의 예열이 끝나면 시스템은 "전진 - D" 또는 "후진 - R"의 입력 선택을 알린다.
710: "후진 - R"의 입력을 선택하면 시스템은 유압식 에너지 저장장치의 에 너지 저장에 따라 구동 모드를 판단한다.
711: 유압식 에너지 저장장치의 에너지 저장이 설정치보다 높으면 제2 가변 유압 모터/모터를 역방향 회전으로 구동하여 후진 R1를 진행한다.
712: 유압식 에너지 저장장치의 에너지 저장이 설정치보다 낮으면 엔진을 시동/투입하여 공동으로 구동하여 후진 R2을 진행한다.
713: 작동위치를 "전진 - D"로 선택하면 시스템은 프로그램 조합으로 과도하며 714로 전환된다.
714: 자동차 차량속도 V의 판단을 진행한다. 차량속도 V는 저속구간, 중속구간 과 고속구간 등 3개 속도구간으로 나눈다. 속도구간의 분할 값은 서로 다른 차종과 각국의 도로상황에 따라 설정한다. 예를 들면, 소형 승용차의 저속구간은
V=0 - 60km/h, 중속구간은 V=60 - 125km/h, 고속구간은 V> 125km/h로 설정할 수 있다.
715: 저속구간에서 사이클 운행 모드에 들어가, 시스템은 엔진의 구동 설정 여부에 따라 0 - 1 등 2가지 상태 CS를 설정한다. CS=0: 엔진 정지(shutdown) 또는 저속 유휴상태에 있어 구동에 참여하지 않는 것을 대표한다. CS=1은 엔진이 운행되고 구동에 참여하는 것을 대표한다.
716: 상태 CS=0에서 시스템은 가속 페달의 위치와 페달 속도 및 보조 유압 제동 페달, 기계 제동 페달의 위치에 따라 구동력 또는 제동력의 크기를 계산하고 구동 또는 제동 모드를 선택한다.
717:721과 722의 출력에 따라 상태의 전환 여부를 판단하며, 프로그램은 조 합으로 과도 되며 730으로 전환한다.
718: 상태 CS=1에서 시스템은 가속 페달의 위치와 페달 속도 및 보조 유압 제동 페달, 기계 제동 페달의 위치에 따라 구동력 또는 제동력의 크기를 계산하고 구동 또는 제동 모드를 선택한다.
719: 중속구간에서 시스템은 가속 페달의 위치와 페달 속도 및 보조 유압 제동 페달, 기계 제동 페달의 위치에 따라 구동력 또는 제동력DF의 크기를 계산하고 구동 또는 제동 모드를 선택한다.
720: 고속구간에서 시스템은 가속 페달의 위치와 페달 속도 및 보조 유압 제동 페달, 기계 제동 페달의 위치에 따라 구동력 또는 제동력의 크기를 계산하고 구동 또는 제동 모드를 선택한다.
721: 상태 CS=0에서 시스템은 구동력 또는 제동력의 크기에 따라 각각 8가지 서로 다른 구동 또는 제동 모드를 운행하며, 시스템의 에너지 저장 파라미터가 동력 수요를 만족할 수 없을 경우에 자동으로 717로 전환한다.
722: 상태 CS=1에서 시스템은 구동력 또는 제동력의 크기에 따라 각각 8가지 서로 다른 구동 또는 제동 모드를 운행하며, 시스템의 에너지 저장 파라미터가 설정치을 초과 할때 자동으로 717로 전환한다.
723: 중속구간에서 시스템은 구동력 또는 제동력의 크기에 따라 각각 8가지 서로 다른 구동 또는 제동 모드를 운행한다.
724: 고속구간에서 시스템은 구동력 또는 제동력의 크기에 따라 각각 8가지 서로 다른 구동 또는 제동 모드를 운행한다.
725: 엔진은 프로그램을 오프(off)하고, ICE Off는 엔진의 전기 공급과 오일 공급을 중지한다.
726: 엔진은 프로그램 1 - 전기 시동을 가동하며, ICE on - 1이며, 시동 모터로 엔진을 시동한다.
727: 엔진은 프로그램 2 - 유압 시동을 가동하며, ICE on - 2이며 제1 가변 유압 모터로 엔진을 시동한다.
728: 주로 유압식 에너지 저장장치에서의 압력에 따라 엔진 시동모드를 판단한다. 만약 기계식 전동기구에 1단 전동만 있고 중립위치(neutral shift)가 없을 경우, 최저 차량속도 Vo의 제한을 받는다. 즉, 그 차량속도 Vo에서 제1 전동축의 회전속도는 엔진 최저 점화 회전속도보다 커야 하며, 일반적으로 300rpm 이상이다. 만약 자동차 저속 또는 정지되거나 속도가 V<Vo이면 726으로 전환한다. 만약 자동차 속도가 V>Vo이면 727로 전환한다. 만약 기계식 전동기구는 중립위치(neutral shift)가 있는 다단계 전동일 경우, 유압식 에너지 저장장치에 에너지 저장이 있으면 유압 시동을 할 수 있다.
729: 상태 전환과 조합과도 모듈
730: 상태 전환과 조합과도 모듈
731: 응급 처리와 에러 진단 프로그램 모듈
732: 시스템 파라미터 설정 모듈
서로 다른 상태와 서로 다른 속도구간에서 자동차의 동력수요 DF를 8개 모드로 세분화하며, 그 정의는 아래와 같다.
DF= - 3: 기계와 유압 보조의 공동 제동: 운전자가 오른발로 기계 제동 페달을 밟고 왼발로 유압식 지원 제동페달을 밟아 진행하며, 일반적으로 긴급 제동에 사용된다.
DF= - 2: 유압 보조 제동: 운전자가 오른발을 가속 페달에서 떠나고 왼발로 유압식 지원 제동페달을 밟으면 일반 제동에 사용한다. 저속 교통 체증일 경우에 운전자가 오른발로 제동을 자주 밟는 것을 방지한다.
DF= - 1: 중립위치(neutral shift)에서의 활주: 운전자가 오른발을 가속 페달에서 떠나면 자동차는 관성 운행을 하며, 롤링 저항력(rolling drag)과 바람 저항력(wind drag) 등 자동차의 자연 저항력(natural drag)의 작용으로 감속된다.
DF=0: 자동차 등속 전진: 운전자는 오른발로 가속 페달을 가볍게 밟으면 된다.
DF=+1 ~ +4는 각각 아래와 같다. +1: 자동차 느린 가속 또는 작은 경사도의 언덕을 등반(경사도 0 - 10%), +2: 중간 속도의 가속 또는 중간 경사도의 언덕을 등반(경사도 10 - 20%), +3: 빠른 가속 또는 큰 경사도의 언덕을 등반(경사도 20 - 30%), +4: 급한 가속 또는 가파른 경사도의 언덕을 등반(경사도 > 30%). 가속도의 크기는 자동차 종류와 속도구간에 따라 설치한다. 예를 들면, 소형 자동차가 저속구간에서 대응되는 가속도는 각각 a=0 - 1m/s2, a=1 - 2m/s2, a=2 - 3m/s2와 a >3m/s2이다.
상기 4가지 작동상태에서의 8가지 동력수요 모드를 실현하기 위해 각 기구를 협력적으로 제어해야 한다. 본 발명 장치의 기계 시스템, 유압 시스템과 대응되는 연결관계로 구성할 수 있는 에너지 흐름 링크(energy stream link)는 7개이다(도 9를 참조). 아래에 각 에너지 흐름 링크의 특징과 실시방식을 실시예를 통해 분석 및 설명한다.
1. 메인 전동 링크: 101 - 102 - 103 - 104 - 105 - 114
일반적으로 내연기관 자체는 유휴상태에서 최고 회전속도까지의 근사하게 일정한 토크의 속도 조절 기능이 있다. 본 발명에서 분할 전동 무단 변속과 기계식 전동기구의 2단 변속을 추가하면 4개 노드의 고효율 메인 전동 체인을 구성한다.
1) 저속단: 기계식 전동기구를 제1단으로 설정한다. 예를 들면, 1: 1 전동으로 설정한다. 이때에 유성기어열의 로커 103d를 해제하고 제1 가변 유압 모터 107의 배기량을 높이면 유압식 에너지 저장장치 106의 압력 작용으로 제1 가변 유압 모터가 감속하며 자동으로 제동된다. 이로써 유성기어열의 태양기어가 록 업(lock up)되며, 유성기어열이 감속되고 증가되는 토크를 출력한다. 이렇게 전체 변속기가 감속되고 토크가 증가하면서 전동한다. 이것이 바로 감속 노드 1이다. 만약 유성기어열의 로커 103d가 록 업(lock up)이 되면 유성기어열은 강체로 되어 직접 전동하며, 전체 변속기는 직접 전동 단으로 되며 이것이 바로 노드 2이다.
2) 고속단: 기계식 전동기구를 제2단으로 설정한다. 예를 들면, 1: 2 속도가 증가하는 전동이 있다. 유성기어열은 마찬가지로 태양기어가 제동되어 감속하고 토크가 증가하는 모드와 유성기어열이 록 업(lock up)되어 강체로 되어 직접 전동하는 모드 등 2가지 모드가 있다. 즉, 전체 변속기의 크고 작은 2개 속도 증가 비례의 순수한 기계 기어 전동 노드: 노드 3과 노드 4를 형성한다.
이 4개 노드의 전동률과 전환속도를 합리하게 설정하고, 저속단의 분할 전동 무단 변속과 엔진이 중속과 고속에서의 속도 조절능력을 추가하면 공동으로 본 발명이 전체 속도 범위의 고효율 전동을 실현할 수 있게 한다.
2. 제1 가변 유압 모터의 에너지 저장: 101 - 102 - 103 - 107 - 109 - 106
엔진이 작동할때 유성기어의 상태와 기계 변속기구의 설치에 따라 두 가지 에너지 저장방식이 있을 수 있다. 첫 번째 방식: 유성기어의 로커 103d가 풀리고 기계 변속기구 104가 결합된다. 유성기어열은 엔진이 기어 링을 구동하여 회전할 때에 동시에 동력을 유성 케리어와 태양기어로 전달한다. 태양기어는 역방향 회전을 하여 펌프로 작동하는 제1 가변 유압 모터의 펌프가 고압 오일을 출력하게 한다. 고압 오일은 방향 전환 밸브 306a와 307c를 통해 그 고압 오일회로와 연결하며 에너지 저장장치로 공급되어 저장된다. 두 번째 방식: 유성기어의 로커가 록 업(lock up)이 되고 기계 변속기구가 결합 또는 분리되어, 엔진은 유성기어열이 강체로 되어 같은 방향으로 회전하도록 구동하며, 동시에 동력을 유성 케리어와 태양기어로 전달한다. 제1 가변 유압 모터의 펌프는 고압 오일을 출력하고, 고압 오일은 에너지 저장장치로 공급되어 저장된다. 첫 번째 방식은 중속과 저속에서 사용되며, 두 번째 방식은 중속과 고속에서 사용된다.
3. 제2 가변 유압 모터의 에너지 저장: 101 - 102 - 103 - 104 - 105 - 108 - 109 - 106
자동차는 엔진이 메인 전동 링크를 통해 구동하여 전진할 때에 제2 가변 유압 모터를 펌프 작동상태로 설정하고 고압 오일회로를 연결하면 된다.
4. 유압 토크 변동과 속도 조절 구동: 101 - 102 - 103 - 107 - 109 - 108 - 105 - 114
이 링크는 엔진이 작동할 때에 제1 가변 유압 모터 107을 펌프 상태로 설정하고, 제2 가변 유압 모터 108을 모터 상태로 설정한다. 유압식 에너지 저장장치의 방향 전환 밸브 306a가 차단되어 유압식 에너지 저장장치의 에너지 저장상태의 영향을 차단한다. 유압 모터의 작동압력은 오버플로 밸브의 설정치 306b까지 상승되어 큰 토크의 속도 조절 전동을 실현한다.
5. 유압 제동 에너지의 회수: 114 - 105 - 108 - 109 - 106
방향 전환 밸브 307c를 통해 제1 가변 유압 모터 107을 단락 상태로 설정하고, 제2 가변 유압 모터 108을 펌프 상태로 설정한다. 자동차의 관성으로 인해 방향 전환 밸브 308c와 306a가 고압 오일회로와 에너지 저장장치의 오일회로를 연결하여 자동차 운동 에너지를 유압 에너지로 전환하여 회수한다.
6. 제1 가변 유압 모터의 구동: 106 - 109 - 107 - 103 - 104 - 105 - 114
엔진의 운행 여부에 따라 두 가지 방식이 있다. 첫 번째 방식: 엔진이 작동하고 유성기어열의 로커 103d가 록 업(lock up)이 되며, 기계 변속기구가 결합된다. 306a, 307c와 307e는 제1 가변 유압 모터 107의 고압 오일회로와 연결되며, 제1 가변 유압 모터는 모터로서 고압 오일의 작용으로 회전하며 토크를 증가시키는 역할을 한다. 두 번째 방식: 엔진이 정지(shutdown)되고 유성기어열의 로커가 풀리며, 기계 변속기구가 결합되고 고압 오일회로가 연결된다. 제1 가변 유압 모터는 모터로서 고압 오일의 작용으로 회전한다. 엔진이 단방향 클러치의 제동으로 역방 향 회전을 할 수 없으며, 제1 가변 유압 모터의 토크 출력은 유성기어에 의해 확대되기 때문에 첫 번째 방식보다 더 큰 토크 증가역할을 한다. 첫 번째 방식은 일반적으로 중속과 고속에서 사용되고, 두 번째 방식은 저속에서 큰 토크의 출력이 필요할 때에 사용된다.
7. 제2 가변 유압 모터의 구동: 106 - 109 - 108 - 105 - 114
방향 전환 밸브 306a, 308c는 제2 가변 유압 모터 108의 고압 오일회로를 연결시키고, 제2 가변 유압 모터는 모터로서 고압 오일의 작용으로 자동차를 구동하여 전진하게 한다.
전자 제어 유닛트 112, 유압 컨트롤러 109와 전력 컨트롤러 118를 통해 상기 에너지 흐름 링크로 서로 다른 작동상태에서 단독 또는 복합 사용하도록 하면 본 발명의 몇 가지 작동모드를 실현할 수 있다.
아래에 서로 다른 상태 CS, 서로 다른 속도구간에서의 8개 서로 다른 구동모드의 실현방법, 엔진 시동 ICE on - 1, ICE on - 2, 자동차 후진모드 R1, R2에 대해 설명한다.
엔진 시동방식 1 - 전기 모터로 엔진을 시동한다. ICE on - 1: 어떠한 상황에서도 방향 전환 밸브 307c를 통해 제1 가변 유압 모터 107을 단락시켜 무부하 상태에 있게 하고 유성기어열의 로커 103이 풀리며 시동 모터가 시동 되어 엔진의 플라이 휠이 회전되면 엔진이 시동된다.
엔진 시동방식 2 - 유압방식으로 엔진을 시동한다. ICE on - 2: 유압식 에너지 저장장치에 에너지가 저장되어 있다. 만약 1단 전동할 때에 자동차 속도가 Vo보 다 크면 유성기어열의 로커 103d가 흡인되어 록 업(lock up)되며, 에너지 저장장치의 방향 전환 밸브 306a가 흡인되어 연결되며, 방향 전환 밸브 307c가 제1 가변 유압 모터 107의 고압 오일회로를 연결시키며, 307e가 흡인된다. 즉, 제1 가변 유압 모터 107이 가변 모터로 설정하고 제1 가변 유압 모터의 변량을 통해 기름 탱크를 제어하고 사판(swash plate)의 변량을 조절하여 고압 오일의 구동으로 엔진의 회전방향에서 회전하도록 한다. 이때에 유성기어열이 강체로 회전하기 때문에 유성기어열의 기어 링은 엔진을 구동하여 회전하게 한다. 시동이 끝난 후에 유성기어열의 로커 103d를 풀어 방향 전환 밸브 307e를 차단하면 제1 가변 유압 모터 107이 다시 펌프 상태로 회복된다.
자동차 후진모드 R1: 유압식 에너지 저장장치에 일정한 고압 오일이 있으며, 엔진 101은 시동하지 않아도 된다. 기계식 전동기구를 중립위치(neutral shift)에 설정하고, 제1 가변 유압 모터가 단락되며, 방향 전환 밸브 308c가 제2 가변 유압 모터 108의 고압 오일회로를 연결시키며, 그 변량 컨트롤러를 조절하여 역방향 회전을 하도록 하면서 자동차를 구동하여 후진한다. 대부분 상황에서 후진 거리는 몇 미터에서 수십 미터밖에 되지 않으며 필요한 에너지가 매우 작아 일반적으로 이런 후진모드를 채택한다.
자동차 후진모드 R2: 유압식 에너지 저장장치에 충족한 고압 오일이 없으며, 기계식 전동기구를 중립위치(neutral shift)에 설정하며, 제1 시동 모드로 엔진을 시동한다. 그다음에 유성기어열의 로커가 록 업(lock up)되고, 방향 전환 밸브 307c와 308c는 각각 제1 가변 유압 모터 107과 제2 가변 유압 모터 108의 고압 오 일회로를 연결시킨다. 제1 가변 유압 모터는 엔진이 구동하여 펌프방식으로 작동하면서 고압 오일을 제2 가변 유압 모터 108로 출력한다. 제2 가변 유압 모터 108의 변량 컨트롤러를 조절하여 역방향 회전을 하도록 하며 자동차를 구동하여 후진한다. 이러한 상황은 자동차가 매일 처음 시동할 때에 발생한다.
DF= - 3: 기계와 유압 보조의 공동 제동: 긴급한 상황에서 운전자가 오른발로 제동 페달을 밟고 왼발로 유압식 지원 제동페달을 밟으면 기계 제동이 역할을 발휘한다. 동시에 에너지 저장장치의 방향 전환 밸브 306a가 흡인되어 연결되고, 유성기어열의 로커 103d가 풀리며, 방향 전환 밸브 307c는 제1 가변 유압 모터 107을 단락시킨다. 방향 전환 밸브 308c는 제2 가변 유압 모터 108의 고압 오일회로를 연결시키며, 제2 가변 유압 모터 108의 변량 컨트롤러를 조절하여 큰 배기량의 펌프방식으로 작동하게 한다. 이러한 방법으로 보조 제동역할을 하며 자동차의 운동 에너지가 유압 에너지로 전환한다.
DF= - 2: 유압 보조제동: 운전자가 왼발로 유압식 지원 제동페달을 밟으면 된다. 기계 제동이 필요 없으며 그 유압 제동방식은 DF= - 3과 같다.
DF= - 1: 자동차가 중립위치(neutral shift)에서의 활주: 엔진이 유휴상태 또는 저속에서 정지(shutdown)한다. 방향 전환 밸브 307c는 제1 가변 유압 모터 107을 단락시키고, 방향 전환 밸브 308c는 제2 가변 유압 모터 108을 단락시키면, 자동차는 자동으로 중립위치(neutral shift)에서 활주한다.
DF= 0: 자동차 등속 전진: 저속구간에서 만약 CS=0이면 엔진이 작동하지 않는다. 필요한 출력이 비교적 작아서 유압 모터로 구동하면 된다. 만약 CS=1이고 중 속과 고속구간에 있으면 엔진이 작동하며, 엔진의 메인 전동 체인으로 구동하며, 제1 가변 유압 모터와/또는 제2 가변 유압 모터의 에너지 저장링크를 배합하여 사용한다. 이러한 방식으로 자동차가 등속 전진을 하는 동시에 엔진 조절판 열린 정도가 비교적 클 때에 넉넉한 기계 에너지를 흡수한다.
DF= +1: 저속구간에서 CS=0이면 엔진이 작동하지 않고 제2 가변 유압 모터 108로 구동한다. 저속구간에서 CS=1이면 엔진은 . 메인 전동 체인의 전동 + 제1 가변 유압 모터 107의 에너지 저장 방식 1로 작동하고;중속과 고속구간에서는 메인 전동 체인의 전동 + 제1 가변 유압 모터 107의 에너지 저장방식 2로 작동 한다.
DF= +2: 저속구간에서 CS=0이면 엔진이 작동하지 않고 제2 가변 유압 모터로 구동한다. 저속구간에서 CS=1이면 엔진은 메인 전동 체인의 전동 + 제1 가변 유압 모터의 에너지 저장방식 1 + 제2 가변 유압 모터의 에너지 저장 방식 2로 작동하고; 중속과 고속구간에서 메인 전동 체인으로 직접 전동 한다.
DF= +3: 저속구간에서 CS=0이면 엔진이 작동하지 않는다. 이때에 제2 가변 유압 모터의 구동+제1 가변 유압 모터의 구동이 방식 2이다. CS=1이면 엔진이 작동한다. 이때에 메인 전동 체인의 전동 + 유압 토크 변동과 속도 조절의 전동을 한다. 중속과 고속구간에서 메인 전동 체인의 전동 + 제1 가변 유압 모터와 제2 가변 유압 모터의 구동을 진행한다.
DF= +4: 저속구간에서 CS=0이면 엔진이 작동하지 않는다. 이때에 동력수요를 만족시킬 수 없어 반드시 엔진을 시동해야 한다. CS=1이면 엔진이 작동한다. 이때에 엔진의 고속 메인 전동 체인의 전동 + 유압 토크 변동과 속도 조절의 전동을 진 행한다. 중속과 고속구간에서 엔진의 고속 메인 전동 체인으로 감속과 토크 증가의 전동 + 제1 가변 유압 모터와 제2 가변 유압 모터의 구동을 진행한다.
본 발명의 주요 작동 메커니즘은 고속 도로상태의 메커니즘과 도시 도로상태의 메커니즘으로 나눈다.
1. 고속 도로상태: CS=1, 즉 엔진의 운행상태에서 자동차의 가속 - 등속 - 감속의 사이클로 설명한다.
자동차가 0으로부터 시동하여 저속에서 고속으로의 가속과정에서 기계식 전동기구를 저속단으로 설정한다.
시동과 가속: 자동차의 최초 속도는 0이고, 유성기어열의 유성 케리어 103b는 정지되며, 엔진의 기계 동력은 유성기어열의 기어 링 103c를 구동하여 정방향 회전을 한다. 유성기어의 로커가 풀리고 태양기어 103a는 역방향 회전을 한다. 엔진 조절판을 크게 하고, 제1 가변 유압 모터 107을 펌프 상태로 설정하고 고압 오일회로를 연결시킨다. 유압 에너지를 출력하는 동시에 태양기어에 제동 토크를 제공한다. 이렇게 유성 케리어 103b에서 정방향 구동 토크가 발생하며, 기계식 전동기구 104를 통해 자동차가 시동된다. 이것이 바로 메인 전동 링크이다. 동시에 운전자의 가속도가 필요한 DF 값에 따라 제2 가변 유압 모터의 추가 동력이 공급되며, 엔진 조절판 열린 정도, 제1 가변 유압 모터와 제2 가변 유압 모터의 배기량을 배합하여 조절한다. 이러한 방식으로 시스템이 출력하는 토크 크기가 조절되면 자동차는 서로 다른 가속도로 시동된다. 자동차의 속도가 높아지면서 태양기어 103a의 회전속도가 점차 0으로 낮아지며 제1 가변 유압 모터의 배기량을 확대하여 태양 기어를 록 업(lock up)시키면 메인 전동 체인은 순수한 기계식 전동 노드 1(전통적 변속기의 2 - 3단에 해당)로 구동한다. 회전속도가 더 높아지면 유성기어의 로커가 록 업(lock up)이 되면 메인 전동 체인은 순수한 기계식 전동 노드 2(전통적 변속기의 4단에 해당)로 구동한다.
회전속도가 어느 속도로 높아져 운전자가 가속 페달을 풀면 엔진이 유휴상태에 있고, 기계식 전동기구의 오버러닝 클러치가 작용하며, 메인 전동 체인이 언로드(unload)된다. 이때에 만약 차량속도가 중속 또는 고속구간에 도달하면 시스템은 자동으로 기계 변속기구를 고속단으로 설정하고, 메인 전동 체인은 노드 3 또는 노드 4로 전동하며, 유압 모터의 토크와 출력을 조절하여 자동차가 등속 전진하도록 구동한다. 노드 3에서 노드 4로 전환하여 가속비를 높일 경우, 유성기어열의 로커를 흡인하면 된다. 이때에 전동 토크가 비교적 작아 로커가 쉽게 흡인된다. 노드 4에서 노드 3으로 전환하여 가속비가 낮아지고 자동차가 가속될 경우, 유성기어열의 로커를 풀면 된다. 이때에 엔진은 자연적으로 가속상태로 전환한다. 중속과 고속구간 가속비에서의 전환은 유성기어열의 로커의 흡인과 풀림으로 진행되기 때문에 간단하고 편리하다. 기계식 전동기구의 변속 전환이 필요가 없으며 전동 체인을 차단할 필요도 없어 매우 평온하다.
감속: 운전자의 의도에 따라 제2 가변 유압 모터와 기계 제동방식으로 제동하여 감속하며 일부 기계 에너지를 회수한다.
2. 도시 도로상태: 도시에서 운전하거나 고속도로에서 교통 체증이 발생할 때에 기계 유압식 혼합 사이클 구동을 채택한다.
시동과 가속방식은 고속 도로 상태에서와 같지만 일반적으로 비교적 낮은 속도까지 가속하면 등속 또는 감속으로 운행하기 때문에 가속시간이 짧고 엔진이 고효율 구간의 최저 회전속도 가까이에서 계속 N분동안 작동하면서 기계 에너지를 출력하여 자동차가 전진하도록 구동하는 동시에 여분의 기계 에너지를 유압 에너지로 전환하여 저장한다. 그러면 엔진이 정지(shutdown)되고 유압 모터가 단독으로 자동차를 구동하여 계속 전진한다. 시스템이 저장한 에너지가 운전자의 동력수요를 만족시키지 못할 때에 자동으로 시동되고 엔진의 동력으로 합쳐져 다음 혼합 구동 사이클로 들어간다. 사이클 전환은 시스템의 에너지 저장상태에 따라 계산한 최대 동력 출력 값과 동력 수요 값 DF의 비교에 의해 판단되며, 이러한 컨트롤 파라미터는 시스템에서 측량할 수 있으며 기존의 기계전기식 혼합에서 사용하는 속도 제어법이 마음대로 변화되는 차량 속도 또는 주차시간 파라미터에 따라 전환하는 것과 다르므로 시스템의 제어가 상대적으로 간단한다. 전지조는 플러그인방식의 충전 모드를 채택하며 제한된 거리에서 발전기로 충전할 필요가 없다.
감속: 주로 제2 가변 유압 모터로 제동하여 감속하며, 대부분 기계 에너지를 회수한다.
도시 도로상태에서 1km당 에너지 소모량은 354.4Kj이다. 엔진이 고효율 구간에서의 낮은 회전속도 1200 - 1500rpm에서 작동한다. 자동차가 전진하도록 구동하는 동시에 약 1분 정도 용적이 50L, 최고 작동압력이 30Mpa인 유압식 에너지 저장장치의 에너지 저장은 400 - 450Kj에 도달한다. 이때에 엔진은 정지(shutdown)되며, 유압은 계속 자동차가 1.1 - 1.3km 전진하도록 구동한다. 이러한 시간이 약 2 분 정도 걸린다. 그 후에 다시 자동차를 가속할 때에 엔진을 시동하여 다음 사이클로 들어간다. 모든 사이클에서 엔진이 구동되어 주행하는 거리 0.6 - 0.8 km를 포함하여 총 2.0km 주행한다. 주차시간을 포함하지 않으면 1개 사이클은 약 3 - 4분 지속된다. 자동차가 100km를 주행할 때마다 에너지 소모량은 35.4 Mj이다. 그중에서 40％는 엔진이 메인 전동 체인을 통해 직접 구동하며, 60％는 유압 에너지로 구동한다. 혼합 구동 시스템의 효율은 81％이며, 엔진의 작동효율은 80%의 부하에서 28%이며, 엔진 ＋ 혼합 전동 시스템의 종합 효율은 28% x 81% = 22.68%이다. 1L 오일의 비에너지(specific energy)는 33Mj이며, 100km당 연료 소모량은 35.4/33/22.68% = 4.7리트이다. 전통적 구동 모드에 비하면 오일을 40% - 50% 절약한다.
고속 도로상태에서 유압 시스템은 토크 비축과 출력 비축의 역할을 하며, 수시로 시스템에 투입할 수 있다. 이로써 엔진은 높은 부하에서 고효율로 작동할 수 있으며 자동차의 동력성을 유지하기 위해 경제성을 잃게 되는것을 방지하여 본 발명의 장치(엔진이나 변속기)는 고속구간에서 모두 최고의 효율을 갖게 한다.
유압식 에너지 저장장치의 치수가 비교적 크기 때문에 자동차의 트렁크에 설치할 수 있어 천연가스 탱크를 택시에 설치한 것과 같다. 유압 기름 탱크도 공간을 차지하기 때문에 에너지 저장장치의 밑받침으로 하거나 자동차의 타이어 비축박스로 사용하여 공간을 절약할 수 있다. 동시에 유압 시스템은 밀폐식을 채택하며 저압 기름 탱크에서 에어백 내의 기체 압력으로 시스템 내의 압력이 0.1 - 1.0Mpa를 유지하도록 한다.
실시예 3: 무단 변속 기계전기유압식 혼합 동력 구동 시스템
본 실시예의 장치는 도 11과 같으며, 주로 내연기관 101, 플라이 휠(flywheel) 102, 차동 유성기어열 103, 기계식 전동기구 104, 동력 합성기와 메인 감속기 105, 유압식 에너지 저장장치 106, 제1 가변 유압 모터 107, 제2 가변 유압 모터 108, 유압 컨트롤러 109,저압 기름 탱크 110, 센서와 컨트롤러 111, 전자 제어 유닛트 112, 보조설비 113, 차동장치 114, 동력전지조 115, 플러그인 충전 전원 116, 차량탑재의 스마트 충전기 117, 전력 컨트롤러 118, 전기 모터/발전기 119와 케이스(case) 120 등으로 구성된다.
본 발명의 장치 각 부분사이의 연결관계는 아래와 같다.
내연기관 101의 출력축은 플라이 휠 102를 통해 차동 유성기어열 103의 입력 단자와 고정되어 연결된다. 차동 유성기어열 103의 출력 단자는 기계식 기계 전동기구 104의 입력축와 고정되어 연결된다. 기계식 전동기구 104의 출력축은 동력 합성기, 메인 감속기 105 및 구동기구 114와 차례로 고정되어 연결된다. 차동 유성기어열 103의 제어 단자는 제1 가변 유압 모터 107의 동력축과 고정되어 연결된다. 제2 가변 유압 모터 108의 동력축은 동력 합성기와 메인 감속기 105의 동력 합성축과 고정되어 연결된다. 전기 모터/발전기 119의 연결위치는 선택한 모터의 특성에 따라 서로 다르며, 동력 합성기와 메인 감속기 105의 동력 합성축과 고정되어 연결할 수 있으며, 차동 유성기어열 103의 제어 단자 또는 출력 단자와 고정되어 연결할 수 있다. 또는 허브 모터(hub motor)를 통해 자동차의 전륜 타이어와 후륜 타이어에 설치하거나 클러치를 통해 서로 다른 작동상태에서 서로 다른 연결되는 부품 을 선택한다. 플라이 휠 102, 차동 유성기어열 103, 기계식 전동기구 104, 동력 합성기와 메인 감속기 105 및 차동장치 114의 차동장치 부분은 모두 케이스 120 내에 설치된다.
제1 가변 유압 모터 107의 고압 단자, 제2 가변 유압 모터 108의 고압 단자, 보조설비 113의 유압기구 등은 모두 유압 컨트롤러 109를 통해 옵션 유압식 에너지 저장장치 106, 유압 기름 탱크 110과 유압 파이프라인으로 서로 연결한다. 제1 가변 유압 모터 107의 저압 단자, 제2 가변 유압 모터 108의 저압 단자와 저압 기름 탱크는 유압 파이프라인으로 서로 연결한다.
전기 모터/발전기 119는 케이블을 통해 전력 컨트롤러 118의 전력과 연결되며, 전력 컨트롤러는 동시에 전지조 115 및 차량탑재의 스마트 충전기 117의 케이블과 연결된다. 차량탑재의 스마트 충전기의 플러그와 플러그인 충전 전원 116의 소켓(socket)과 뽑았다 꽂을 수 있는 연결을 형성한다. 전자 제어 유닛트 112, 센서와 컨트롤러 111, 보조설비 113 및 시스템에서 컨트롤이 필요한 부품은 신호선 또는 컨트롤선으로 서로 연결한다.
본 발명의 구조원리와 작동방법을 더 상세하게 설명하기 위해, 본 발명의 장치를 기계 시스템, 유압 시스템, 보조 시스템과 전기 제어 시스템 등 4개 하위 시스템으로 나누며, 본 발명의 실시예 2를 결합시켜 설명한다.
본 발명의 기계 시스템과 유압 시스템은 실시예 2와 같으며, 각각 도 5, 도 9, 도 12를 참조한다.
본 발명 장치의 전기 제어 시스템은 도 13을 참조하며, 센서와 컨트롤러 111, 전자 제어 유닛트 112, 동력 전지조 115, 플러그인 충전 전원116, 차량탑재의 스마트 충전기 117, 전력 컨트롤러 118, 전기 모터/발전기 119 등을 포함한다.
그중에서 전기 모터/발전기 119는 전동기로 사용할 수 있거나 발전기로도 사용할 수 있는 모터를 가리키며, 그 일률은 엔진 정격 일률의 5 - 50％이다. 브러시(brush)가 있거나 없는 영구자석 DC 모터일 수 있으며, AC 모터 또는 기타 유형의 모터일 수도 있다. 전기 모터/발전기 119의 자로(magnetic path)는 반지름 방향으로 설정할 수 있으며, 축 방향으로 설정할 수도 있다. 예를 들면 디스크식 허브 모터 등이 있다. 전기 모터/발전기 119는 시스템과 병렬관계이기 때문에 설치위치에 있어서는 유통성이 매우 좋다. 본 실시예에서 전기 모터/발전기 119와 기계식 전동기구의 제1 변속 기어쌍의 구동기어를 고정하여 연결한다. 전륜구동의 승용차에 대해 더 좋은 방식은 2개 디스크식 허브 모터를 후륜 허브에 설치하는 것이다.
전력 컨트롤러 118은 전지 관리와 모터 컨트롤을 진행한다. 전지 관리의 기능은 전지조의 충전과 방전모드의 전환, 과도 충전, 과도 방전, 과전류, 과열의 보호 등을 포함한다. 모터 컨트롤의 기능은 모터 시동의 제어, 전기 모터/발전기 모드의 전환, 속도 조절과 과부하 보호 등을 포함한다. AC 모터는 주파수 변환 속도 조절을 채택하며, DC 모터는 초퍼(chopper) 속도 조절을 채택하거나 간단한 변압 속도 조절을 채택한다. 즉 전지조의 직렬과 병렬의 연결로 전환하여 구동전압을 48V, 96V 등 몇 개 레벨로 분류함으로써 복잡한 속도 조절 장치를 생략한다.
플러그인 충전 전원 116은 가정용과 주차장용으로 나눈다. 가정용 전원은 매우 간단하여 바로 1개 전원 소켓이다. 주차장용 충전 전원은 전원 소켓 외에 전기 량 계량, 요금 계산 및 비용 수납장치를 포함한다. 예를 들면 비용 수납기는 POS기 등일 수도 있다.
동력 전지조 115는 안전하고 확실한 리튬 전지 또는 Ni-H 동력전지를 사용하며, 비에너지(specific energy)와 비일률이 비교적 높으며 사이클 수명이 긴 것을 요구한다. 전지조의 에너지 저장량은 고객의 수요와 가격에 따라 확정한다. 가정용 승용차가 만약 주로 시내지역에서 달리면 큰 용량을 사용하는 것이 적합하고, 만약 시외지역에서 달리면 작은 용량을 선택하는 것이 적합하다. 일반적으로 용량이 1 - 10 KWH이면 된다.
센서와 컨트롤러 111: 센서는 압력 측량, 온도 측량, 속도 측량, 위치 측량 등 센서를 포함하며, 자동차의 기존 센서를 충분히 이용할 수 있다. 컨트롤러는 바로 제어 집행기구로서 계전기(relay), 전자석, 소형 모터 등이 있다. 도 13을 참조한다.
전자 제어 유닛트 112는 하드웨어와 소프트웨어 등 2개 부분으로 나눈다. 하드웨어는 다중 채널의 디지털 값과 아날로그 값의 입력과 출력이 있는 CPU 기능을 포함한 PC 컨트롤러이다. 전자 제어 유닛트 112는 센서와 컨트롤러 111을 통해 각종 변량 파라미터를 수집 함으로써 전체 시스템의 운행을 제어한다. 소프트웨어는 자동 컨트롤 프로그램으로 구성되며 PC의 EPROM에 응결시켜 입력한다.(도 14를 참조)
전기제어 시스템의 입력 파라미터는 아래와 같은 것을 포함한다.
501: 자동차 점화 스위치는 일반적으로 0 - 3 등 4개 위치가 있으며 엔진의 시동을 제어할 수 있다.
502: 터치식 컨트롤 디스플레이(touch control display)는 시스템 운행 파라미터, 에러 파라미터와 입력 제어 파라미터를 나타낸다.
503: 가속 페달의 위치는 운전자가 가속 페달을 밟는 위치에 대응되며, 동력 DF= - 1, 0, 1, 2, 3, 4 등 6개 구간과 대응된다. 운전자의 오른발이 가속 페달에서 떠나는 것은 - 1에 해당되고, 가속 페달을 가볍게 밟는 것은 0에 해당되며, 끝까지 밟는 것은 +4에 해당된다.
504: 유압식 지원 제동페달의 위치에서 운전자의 왼발로 페달을 밟으면 시스템은 유압식 에너지 저장장치의 압력과 위치량에 따라 제2 가변 유압 모터의 배기량 설정을 계산한다.
505: 기계식 브레이크 페달을 운전자가 오른발로 밟는다.
506: 차량속도
507: 엔진의 회전속도
508: 유압식 에너지 저장장치의 압력
509: 전지의 전압과 전기량
510: 엔진 범용 특징 맵
511: 윤활유 압력512: 엔진 냉각수 온도
514: 제1 가변 유압 모터의 배기량
514: 제2 가변 유압 모터의 배기량
516: 엔진 조절판의 위치
그중에서 가속 페달의 위치와 보조제동 페달의 위치로 구동력/제동력의 DF 값을 확정할 때에 그 위치에서의 밟는 속도 보정값을 추가해야 한다. 즉, 현재 위치구간에서 밟는 속도에 따라 DF 값을 높이거나 낮추어서 운전자의 동력 수요를 나타낸다.
엔진 범용 특징 맵은 모델별 엔진 범용 특징 곡선행렬로서 EPROM에 응결시켜 입력된다. PC CPU는 엔진의 회전속도, 조절판 열린 정도에 따라 행렬로부터 수출할 토크 값을 얻으며 이로써 배합되는 변량 유압 펌프의 배기량을 계산한다.
전기제어 시스템의 출력 제어는 아래와 같은 것을 포함한다.
601: 윤활유 펌프의 모터
602: 시동 모터
603: 유압 에어컨 압축기의 방향 전환 밸브
604: 제동 조력장치
605: 유압 방향조정 조력장치의 방향 전환 밸브
606: 전지 관리기118(충전기, 충전과 방전의 보호)
607: 구동모터 컨트롤러118(속도 조절 /전기 모터/발전)
608: 전자기 투스 임배디드식 변속 클러치
609: 전자기 클러칭 유성기어의 로커 103d
610: 유압식 에너지 저장장치용 밸브 306a
611: 제1 가변 유압 모터의 메인 오일회로 방향 전환 밸브 307c
612: 제1 가변 유압 모터의 메인 오일회로 방향 전환 밸브 307e
613: 제2 가변 유압 모터의 메인 오일회로 방향 전환 밸브 308c
614: 제1 가변 유압 모터 가변 기름 탱크 제어 방향 전환 밸브 307b
615: 제2 가변 유압 모터 가변 기름 탱크 제어 방향 전환 밸브 308b
616: 엔진 조절판의 제어 모터
본 발명 장치의 컨트롤 소프트웨어는 32개 프로그램 모듈을 포함하며, 프로그램의 흐름도는 도 7을 참조한다. 각 프로그램 모듈의 기능은 아래와 같다.
701: 자동차 점화 스위치는 0에서 1까지이며, 제어 시스템이 전기를 공급하면 가동된다.
702: 시스템은 비밀번호방식과 지문방식 등 2가지 방식으로 ID 식별 입력을 시작한다.
703: 시스템은 ID 검증의 진위를 판단한다. 정확할 경우에 705로 들어가며, 틀릴 경우에 704로 들어가 시스템은 다시 입력할 것을 알리며 3번 잘못 입력하면 시스템은 닫힌다.
704: 시스템이 닫혀 운행이 중지되며, 음성 경보, 단문메시지 경보 등 에러 경보가 울린다.
705: 점화 스위치는 1 - 2이며, 시스템이 초기화 테스트를 진행하고 각 입력 변량 파라미터를 순차로 검사한다.
706: 만약 엔진 냉각수의 온도가 설정치보다 낮으면 707로 전환하며, 설정치보다 높으면 709로 전환한다.
707: 제1 가변 유압 모터와 제2 가변 유압 모터를 단락시킨다. 즉 Vf, Vs=0, 전동기가 정전되며 Em=0이다.
708: 제1 시동 방식으로 엔진을 시동하며, ICE on1은 엔진 예열 운행으로 전환한다.
709: 엔진의 예열이 끝나면 시스템은 "전진 - D" 또는 "후진 - R"의 입력 선택을 알린다.
710: "후진 - R"의 입력을 선택하면 시스템은 유압식 에너지 저장장치의 에너지 저장에 따라 구동 모드를 판단한다.
711: 유압식 에너지 저장장치의 에너지 저장이 설정치보다 높으면 제2 가변 유압 모터/모터의 역방향 회전으로 구동하여 후진 R1를 진행한다.
712: 유압식 에너지 저장장치의 에너지 저장이 설정치보다 낮으면 엔진을 시동/투입하여 공동으로 구동하여 후진 R2을 진행한다.
713: 작동위치를 "전진 - D"로 선택하면 시스템은 프로그램 조합으로 과도하며 714로 전환된다.
714: 자동차 차량속도 V의 판단을 진행한다. 차량속도 V는 저속구간, 중속구간 과 고속구간 등 3개 속도구간으로 나눈다. 속도구간의 분할 값은 서로 다른 차종과 각국의 도로 상황에 따라 설정한다. 예를 들면, 소형 승용차의 저속구간은 V=0 - 60km/h, 중속구간은 V=60 - 125km/h, 고속구간은 V> 125km/h로 설정할 수 있다.
715: 저속구간에서 사이클 운행 모드에 들어가, 시스템은 엔진의 구동 설정 여부에 따라 0 - 1 등 2가지 상태 CS를 설정한다. CS=0: 엔진 정지(shutdown) 또는 저속 유휴상태에 있어 구동에 참여하지 않는 것을 대표한다. CS=1은 엔진이 운행되고 구동에 참여하는 것을 대표한다.
716: 상태 CS=0에서 시스템은 가속 페달의 위치와 페달 속도 및 보조 유압 제동 페달, 기계 제동 페달의 위치에 따라 구동력 또는 제동력의 크기를 계산하고 구동 또는 제동 모드를 선택한다.
717:721과 722의 출력에 따라 상태의 전환 여부를 판단하며, 프로그램은 조합으로 과도 되며 730으로 전환한다.
718: 상태 CS=1에서 시스템은 가속 페달의 위치와 페달 속도 및 보조 유압 제동 페달, 기계 제동 페달의 위치에 따라 구동력 또는 제동력의 크기를 계산하고 구동 또는 제동 모드를 선택한다.
719: 중속구간에서 시스템은 가속 페달의 위치와 페달 속도 및 보조 유압 제동 페달, 기계 제동 페달의 위치에 따라 구동력 또는 제동력DF의 크기를 계산하고 구동 또는 제동 모드를 선택한다.
720: 고속구간에서 시스템은 가속 페달의 위치와 페달 속도 및 보조 유압 제동 페달, 기계 제동 페달의 위치에 따라 구동력 또는 제동력의 크기를 계산하고 구동 또는 제동 모드를 선택한다.
721: 상태 CS=0에서 시스템은 구동력 또는 제동력의 크기에 따라 각각 8가지 서로 다른 구동 또는 제동 모드를 운행하며, 시스템의 에너지 저장 파라미터가 동력 수요를 만족할 수 없을 경우에 자동으로 717로 전환한다.
722: 상태 CS=1에서 시스템은 구동력 또는 제동력의 크기에 따라 각각 8가지 서로 다른 구동 또는 제동 모드를 운행하며, 시스템의 에너지 저장 파라미터가 설정치를 초과 할때 자동으로 717로 전환한다.
723: 중속구간에서 시스템은 구동력 또는 제동력의 크기에 따라 각각 8가지 서로 다른 구동 또는 제동 모드를 운행한다.
724: 고속구간에서 시스템은 구동력 또는 제동력의 크기에 따라 각각 8가지 서로 다른 구동 또는 제동 모드를 운행한다.
725: 엔진은 프로그램을 오프(off)하고, ICE Off는 엔진의 전기 공급과 오일 공급을 중지한다.
726: 엔진은 프로그램 1 - 전기 시동을 가동하며, ICE on - 1이며, 시동 모터로 엔진을 시동한다.
727: 엔진은 프로그램 2 - 유압 시동을 가동하며, ICE on - 2이며 제1 가변 유압 모터로 엔진을 시동한다.
728: 주로 유압식 에너지 저장장치에서의 압력에 따라 엔진 시동모드를 판단한다. 만약 기계식 전동기구에 1단 전동만 있고 중립위치(neutral shift)가 없을 경우, 최저 차량속도 Vo의 제한을 받는다. 즉, 그 차량속도 Vo에서 제1 전동축의 회전속도는 엔진 최저 점화 회전속도보다 커야 하며, 일반적으로 300rpm 이상이다. 만약 자동차 저속 또는 정지되거나 속도가 V<Vo이면 726으로 전환한다. 만약 자동차 속도가 V>Vo이면 727로 전환한다. 만약 기계식 전동기구는 중립위치(neutral shift)가 있는 다단계 전동일 경우, 유압식 에너지 저장장치에 에너지 저장이 있으면 유압 시동을 할 수 있다.
729: 상태 전환과 조합과도 모듈
730: 상태 전환과 조합과도 모듈
731: 응급 처리와 에러 진단 프로그램 모듈
732: 시스템 파라미터 설정 모듈
서로 다른 상태와 서로 다른 속도구간에서 자동차의 동력수요 DF를 8개 모드로 세분화하며, 그 정의는 아래와 같다.
DF= - 3: 기계와 유압 보조의 공동 제동: 운전자가 오른발로 기계 제동 페달을 밟고 왼발로 유압식 지원 제동페달을 밟아 진행하며, 일반적으로 긴급 제동에 사용된다.
DF= - 2: 유압 보조 제동: 운전자가 오른발을 가속 페달에서 떠나고 왼발로 유압식 지원 제동페달을 밟으면 일반 제동에 사용한다. 저속 교통 체증일 경우에 운전자가 오른발로 제동을 자주 밟는 것을 방지한다.
DF= - 1: 중립위치(neutral shift)에서의 활주: 운전자가 오른발을 가속 페달에서 떠나면 자동차는 관성 운행을 하며, 롤링 저항력(rolling drag)과 바람 저항력(wind drag) 등 자동차의 자연 저항력(natural drag)의 작용으로 감속된다.
DF=0: 자동차 등속 전진: 운전자는 오른발로 가속 페달을 가볍게 밟으면 된다.
DF=+1 ~ +4는 각각 아래와 같다. +1: 자동차 느린 가속 또는 작은 경사도의 언덕을 등반(경사도 0 - 10%), +2: 중간 속도의 가속 또는 중간 경사도의 언덕을 등반(경사도 10 - 20%), +3: 빠른 가속 또는 큰 경사도의 언덕을 등반(경사도 20 - 30%), +4: 급한 가속 또는 가파른 경사도의 언덕을 등반(경사도 > 30%). 가속도의 크기는 자동차 종류와 속도구간에 따라 설치한다. 예를 들면, 소형 자동차가 저속구간에서 대응되는 가속도는 각각 a=0 - 1m/s2, a=1 - 2m/s2, a=2 - 3m/s2와 a >3m/s2이다.
본 발명의 주요 작동 메커니즘은 고속 도로상태의 메커니즘과 도시 도로상태의 메커니즘으로 나눈다. 실시예 2와 결합시켜 아래와 같이 소개한다.
1. 고속 도로상태: CS=1, 즉 엔진의 운행상태에서 자동차의 가속 - 등속 - 감속의 사이클로 설명한다.
자동차가 0으로부터 시동하여 저속에서 고속으로의 가속과정에서 기계식 전동기구를 저속단으로 설정한다.
시동과 가속: 자동차의 최초 속도는 0이고, 유성기어열의 유성 케리어 103b는 정지되며, 엔진의 기계 동력은 유성기어열의 기어 링 103c를 구동하여 정방향 회전을 한다. 유성기어의 로커가 풀리고 태양기어 103a는 역방향 회전을 한다. 엔진 조절판을 크게 하고, 제1 가변 유압 모터 107을 펌프 상태로 설정하고 고압 오일회로를 연결시킨다. 유압 에너지를 출력하는 동시에 태양기어에 제동 토크를 제공한다. 이렇게 유성 케리어 103b에서 정방향 구동 토크가 발생하며, 기계식 전동기구 104를 통해 자동차가 시동된다. 이것이 바로 메인 전동 링크이다. 동시에 운전자의 가속도가 필요한 DF 값에 따라 제2 가변 유압 모터의 추가 동력이 공급되며, 엔진 조절판 열린 정도, 제1 가변 유압 모터와 제2 가변 유압 모터의 배기량을 배합하여 조절한다. 이러한 방식으로 시스템이 출력하는 토크 크기가 조절되면 자 동차는 서로 다른 가속도로 시동된다. 자동차의 속도가 높아지면서 태양기어 103a의 회전속도가 점차 0으로 낮아지며 제1 가변 유압 모터의 배기량을 확대하여 태양기어가 록 업(lock up)이 되면 메인 전동 체인은 순수한 기계식 전동 노드 1(전통적 변속기의 2 - 3단에 해당)로 구동한다. 회전속도가 더 높아지면 유성기어의 로커가 록 업(lock up)이 되면 메인 전동 체인은 순수한 기계식 전동 노드 2(전통적 변속기의 4단에 해당)로 구동한다.
2. 도시 도로상태: 도시에서 운전하거나 고속도로에서 교통 체증이 발생할 때에 기계 유압식, 기계전기식 또는 기계 유압전기식 혼합 사이클 구동을 채택한다.
시동과 가속방식은 고속 도로 상태 에서와 같지만 일반적으로 비교적 낮은 속도까지 가속하면 등속 또는 감속으로 운행하기 때문에 가속시간이 짧고 엔진이 고효율 구간의 최저 회전속도 가까이에서 계속 N분동안 작동하면서 기계 에너지를 출력하여 자동차가 전진하도록 구동하는 동시에 여분의 기계 에너지를 유압/전기 에너지로 전환하여 저장한다. 그러면 엔진이 정지(shutdown)되고 유압 모터/전동기가 단독으로 또는 연합하여 자동차를 구동하여 계속 전진한다. 그중에서 전동기는 주로 자동차의 등속 전진에 필요한 동력을 제공하며, 유압 시스템은 주로 자동차가 가속할 때에 필요한 큰 토크의 수요를 책임진다. 시스템이 저장한 에너지가 운전자의 동력수요를 만족시키지 못할 때에 자동으로 시동되고 엔진의 동력으로 합쳐져 다음 혼합 구동 사이클로 들어간다. 사이클 전환은 시스템의 에너지 저장상태(P, V)에 따라 계산한 최대 동력 출력 값과 동력 수요 값 DF의 비교에 의해 판단되며, 이러한 컨트롤 파라미터는 시스템에서 측량할 수 있으며 기존의 기계전기식 혼합에서 사용하는 속도 제어법이 마음대로 변화되는 차량 속도 또는 주차시간 파라미터에 따라 전환하는 것과 다르므로 시스템의 제어가 상대적으로 간단한다. 전지조는 플러그인방식의 충전 모드를 채택하며 제한된 거리에서 발전기로 충전할 필요가 없다.
감속: 주로 제2 가변 유압 모터로 제동하여 감속하며, 대부분 기계 에너지를 회수한다.
전지 전기량의 관리는 자동차의 작동방식과 서로 배합되어야 한다. 본 발명은 대부분 승용차는 출퇴근 시간에 사용되며 우선 현지 저속 운행을 한 후에 고속도로에서 고속 전진하고, 다시 고속도로에서 내려와 현재 저속 주행을 하며 회사에 가거나 집으로 돌아가면 정지(shutdown)하여 주차하는 것을 고려했다. 그러므로 본 발명은 특별히 전지의 사용을 W형 모드로 설계하여 크기가 다른 2개 사이클 모드로 구성한다. 즉, 자동차가 집 또는 회사에서 저녘 시간 또는 근무시간을 이용하여 모드 1로 SOC=90% 정도 충전한 후에 저속도로에서 20% 나머지 전기량까지 단방향 방전을 한다. 그러면 전지 충전의 모드 2, 즉 엔진은 발전기를 구동하여 50% 정도까지 충전하며, 다시 20% 나머지 전기량까지 방전하여 운행한다. 이러한 작은 사이클은 목적지에 도달한 후에 플러그인 충전 전원에 접속시켜 90%까지 충전하면 다음 큰 사이클에 들어간다.
본 발명 실시예에서의 유압식 에너지 저장장치 106은 차량 중량이 비교적 큰 자동차에 대해 합금강으로 만든 고압 에너지 저장장치를 사용하며, 승용차에 대해 반드시 복합재료의 고압 에너지 저장장치를 사용해야 한다. 예를 들면, 합금강 또는 알루미늄합금을 핵(core)으로 하고 외면에 고강도 유리섬유 또는 탄소섬유(carbon fiber)로 휘감으면 중량이 가볍고 강도가 높다. 에너지 저장장치의 에너지 저장 효과를 높이며 그 설치의 융통성을 높이기 위해 본 발명은 일종의 분리식 구조를 제출했다. 도 15를 참조하면, 분리식 구조는 크기가 다른 2개 고압 탱크 106 - 1과 106 - 2가 챠지 밸브(charge valve)가 있는 고압가스관 106 - 3을 통해 구성된다. 큰 탱크 106 - 1 내에 에어백 106 - 1a를 설치하고, 그 조인트(joint)와 고압가스관 106 - 3는 나선식으로 연결되며, 합금강 또는 알루미늄합금을 핵(core) 106 - 1b로 하고 고강도의 유리섬유 또는 탄소섬유 복합재료를 휘말아 바깥층 106 - 1c로 한다. 탱크의 오른쪽 끝에 버터플라이 밸브(butterfly valve) 106 - 1d를 설치하여 고압 오일 파이프라인과 연결한다. 작은 탱크 106 - 2는 1개 알루미늄합금을 핵(core) 106 - 2a로 하고 고강도 유리섬유 또는 탄소섬유 복합재료를 휘말아 바깥층 106 - 2b의 고압가스탱크로 한다. 탱크의 왼쪽 끝의 구멍 106 - 2c에 고압가스관 106 - 3과 연결하여 큰 탱크의 에어백 끝 106 - 1e와 연결한다. 이런 구조는 고압가스가 압축과 팽창과정에서 직접 작은 탱크와 열교환을 진행하게 함으로써 가스 온도의 변화 범위를 줄이며 에너지 저장 효과를 높인다. 또한 같은 용적의 상황에서 개개의 치수가 줄어들고 설치 융통성이 높아진다.
본 발명 실시예에서의 저압 기름 탱크 110은 대형 자동차에 사용할 때에 일반적 에너지 저장장치의 구조를 채택할 수 있다. 압력이 낮아 벽 두께는 매우 얇을 수 있지만 체적이 비교적 크다. 소형 자동차에 사용할 때에 공간이 매우 제한을 받 아 설치가 비교적 어렵다. 본 발명은 특별히 일종의 자동차 타이어형식의 저압 기름 탱크를 설계하여 이 문제를 해결한다(도 16, 17을 참조). 이 기름 탱크는 상하 2개 펀칭(punching) 성형의 중간에 구멍을 뚫은 바닥이 평평한 사발모양 커버110 - 1과 110 - 2, 양끝이 나팔모양의 중간 분리 링(separation ring ) 110 - 5, 저압 에어백 110 - 4, 버터플라이 밸브 110 - 3, 챠지 밸브 110 - 6과 중앙 실린더(central cylinder) 110 - 7로 구성한다. 그중에서 저압 에어백은 중간 분리 링과 바닥이 평평한 사발모양 커버 110의 원주 바깥 면으로 형성한 밀폐된 공간에 설치한다. 에어백은 가스관 110 - 8을 통해 중간 분리 링에서의 하나 작은 구멍을 지나 내부의 밀폐된 공동과 연결된다. 챠지 밸브는 중앙 실린더의 내부에 설치하여 가스를 공급한다. 이 저압 기름 탱크의 가공공정은 아래와 같다. 우선, 중간 분리 링은 도면에서 나팔모양의 위치에 따라 버터플라이 밸브가 있는 아래 커버에 용접한 후에 에어백을 설치하며, 에어백의 가스를 배출하여 아래 커버와 가깝게 하고 아래 커버에 약 2/3의 냉각 오일을 넣은 다음에 상하 커버를 용접한다. 그다음에 중간 분리 링의 나팔모양과 위 커버의 연결부분을 용접한다. 에어백의 가스가 누출하지 않고 내부와 외부의 밀폐된 공간도 서로 가스가 통하지 않는다는 것을 검사한 후에 챠지 밸브를 설치한 중앙 실린더를 용접한다. 이 기름 탱크의 벽 두께는 기름 탱크의 지름과 최고 팽창 압력에 따라 확정하며, 1 - 4mm 사이로 확정하면 된다. 이 타이어모양의 저압 기름 탱크를 자동차의 타이어 비축공간에 놓는다. 자동차는 일상적으로 사용할 때에 일반적으로 타이어를 비축하지 않고 공간을 절약할 수 있다.
아래에 1대 가정용 중간규모 배기량의 자동차 파라미터를 전형적 사례로 계산하지만, 이러한 가설의 파라미터와 계산결과는 참고로만 하고 본 발명에 대해 한정으로 하지 않는다.
차량의 공차질량(kerb mass) 1,200kg, 총질량 1,500Kg, 최고 차량속도 180km/h, 평균 연료 소모량 8 - 9L/100km이며, 엔진은 4 실린더의 휘발유기관이고 엔진의 배기량 1.6L, 최대 일률 70kw/6,000rpm, 최대 토크 150nm/4,000rpm이며, 엔진의 최저 비 연료 소모량(specific fuel consumption)은 260g/kwh이다.
선택한 유성기어열이 태양기어에 고정할 때의 입력과 출력의 속비는 1.5(감속)이다. 선택한 기계식 전동기구의 2단 변속비는 각각 1과 0.5이다. 이렇게 전체 시스템의 메인 전동 체인의 4개 노드 속비는 각각 1.5, 1.0, 0.75과 0.5이다. 기존 차량에 조립한 자동 변속기의 속비는 각각 2.71, 1.44, 1.0, 0.74이다. 서로 비교하면, 시스템에 하나의 큰 가속비의 전동을 설치한 것과 같다.
본 실시예에서 선택한 제1 가변 유압 모터와 제2 가변 유압 모터는 사판식 양방향 이중(bidirectional duplex) 유압 펌프/모터로서 모두 트러니언으로 변량 사판을 구동하여 양방향으로 흔들리게 함으로써 변량 조절, 모드와 방향 전환을 진행한다. 제1 가변 유압 모터의 최대 배기량 28ml/r, 정격 압력 31.5Mpa, 최고 압력 35Mpa, 최고 회전속도 5500rpm이며, 제2 가변 유압 모터의 최대 배기량 56ml/r, 정격 압력 31.5Mpa, 최고 압력 35Mpa, 최고 회전속도 5,000rpm이다. 공간을 절약하기 위해 제1 가변 유압 모터와 제2 가변 유압 모터를 1개 케이싱(casing)을 공동으로 사용한다.
선택한 유압식 에너지 저장장치의 용량 50L, 지름 300mm, 길이 800mm, 사전팽창 압력 10 - 15 Mpa, 최고 작동압력 30Mpa, 최대 에너지 저장량은 약 500Kj이다. 저압 기름 탱크는 타이어식이며 지름 580mm, 용적 45L, 최고 작동압력 1Mpa이다. 모두 트렁크에 설치한다.
선택한 리튬 전지조의 무게는 35kg이고, 비에너지(specific energy) 150wh/kg이며, 용량은 50Ah, 96 - 110V, 5.25Kwh이다. 전지의 방전 비일률 300w/kg, 방전일률 10.5Kw이며, 충전 비일률 150w/kg, 충전일률 5Kw이다.
선택한 모터의 정격 일률 8Kw, 정격 회전속도 3,000rpm, 정격 토크 25.5NM, 시동 최대 토크 65NM이다.
상기 부품과 설정 파라미터를 채택하여 주요 작동상태에서의 구동 토크와 효율을 아래와 같이 계산한다.
상기와 같이 메인 전동 체인의 전동 토크는 서로 다른 속비에서 각각 225NM, 150NM, 100NM, 75NM이고, 제1 가변 유압 모터가 최대 배기량에서의 최소 토크(10Mpa)와 최대 토크(35Mpa)는 각각 44.6NM - 156NM이며, 제2 가변 유압 모터가 최대 배기량에서의 최소 토크와 최대 토크는 각각 89.2NM - 312NM이다. 이로써 알다싶이, 자동차가 저속상태에서 엔진을 운행하면 얻을 수 있는 최대 토크는 537NM이다. 엔진의 조절판과 유압 모터의 배기량이 모두 변화되기 때문에 구동 토크가 마음대로 되며 안정되고 강력한 구동 성능을 얻는다. 엔진이 정지(shutdown)되는 기간에 유압 ＋ 모터로 구동한다. 이때에 시스템의 최저 구동 토크는 제1 가변 유압 모터의 최저 토크이며, 유성기어열을 거쳐 3배로 확대된 후에 제2 가변 유압 모 터의 최저 토크와 합치면 총 223NM로 된다. 게다가 모터의 약 30 - 50NM을 합치면 253 - 273NM로 된다. 이는 기존 차량이 2단일 경우의 시동과 가속능력에 해당된다.
동 시스템의 전동 효율은 아래와 같다.
저속구간에서 유성기어열은 메인 전동 체인을 통해 직접 전달하는 일률은 약 전체 일률의 50％를 차지하며, 나머지 50%의 에너지는 유압 시스템을 통해 전달된다. 메인 전동 체인의 전동 효율을 96％로, 유압 모터의 평균 효율을 모두 86％로, 유압 회로의 효율을 96%로 설정하면 유압 링크의 효율은 71％이고 시스템의 전체 효율＝0.5x74%+0.5x96% = 83.5%이다. 만약 고효율 유압 모터(>90%)를 채택하면 전동 효율>88%이다.만약 엔진이 저속구간에서 80% 부하상태에서의 효율을 28%이면 시스템의 전체 효율은 23.8%로서 기존의 자동차 평균 효율 12.6%보다 약 1배 증가된다.
사이클 구동모드의 파라미터 계산방식은 아래와 같다. 1,500kg의 자동차가 0 - 60km/h의 속도구간에서 평균 시속 36km/h로 주행할 때에 1km 주행할 때마다 롤링 저항력의 일률 손실(power loss)은 1,500kg x 0.12 x 1,000m = 180kj이며, 자동차의 바람 저항력 일률 손실 약 40kj를 추가하면 220kj이다. 자동차가 54km/h에서 0으로 1회 제동할 때마다 운동 에너지는 1/2x1,500x15x15=168kj 줄어든다. 유압 시스템의 회수율이 60％이면 소모량은 약 40％＝67.2kj이다. 만약 1km 거리마다 평균 2회 제동하면 총 손실은 134.4kj이다. 이렇게 되면 자동차가 1km 주행할 때마다 소모량은 220+134.4＝354.4kj이다. 만약 에너지 회수가 없으면 소모량은 556kj이다.
저속구간에서의 기계전기유압식 혼합 사이클 모드에서 1.6L 엔진이 고효율 구간에서의 낮은 회전속도 1,200 - 1,500 rpm에서 작동한다. 80%의 조잘판 열린 정도일 경우에 일률은 10 - 15kw이다. 그중에서 자동차가 시동 되어 0 -15 Km/h로 가속될 때에 유압식 전동 에너지의 비례는 100%에서 0%로 낮아진다. 15 - 60Km/h의 범위에서 가속될 때에 주로 메인 전동 체인으로 전동되며 유압 에너지 저장은 약 20% 이내이다. 등속 전진할 때에 엔진 출력의 30%(3 - 5kw)로 자동차를 구동하여 전진하고, 70% (7 - 10kw) 출력은 유압 에너지로 전환된다. 작동용적은 50L이며 최고 작동압력은 30Mpa인 유압식 에너지 저장장치의 에너지 저장이 400 - 450kj에 도달하는 시간이 약 1분 정도 걸리며, 엔진은 정지(shutdown)되고 전력과 유압으로 공동 구동한다.
전력 시스템에 공급되는 전체 에너지 = 5.25 kwh = 18.9 Mj이다. 그 작동구간을 용량의 20 - 90%로 설정하면 작업용량은 13.2 Mj이다. 전동기(88%) + 구동기(98%) + 전지방전(90%)의 종합 효율이 78%인 것을 고려하면, 유효 전기 에너지는 10.3Mj이며, 자동차는 그 전력에서 단독으로 구동하여 약 30Km 저속 주행을 할 수 있다.
본 모드에서 주로 유압으로 자동차의 가속과 감속을 실현하여 전력으로 등속 운동을 유지한다. 그러므로 전력 에너지의 저장이 충족할 때에 사이클 구동의 주기에 주로 유압 시스템으로 확정한다. 만약 매번 54km/h에서 0Km/h로 제동하면 에너지 손실은 67.2Kj이며, 다시 시동하여 가속할 때에 유압 시스템으로 70%(즉 47kj)를 부담하고 전력 시스템으로 30% 부담한다. 이로써 유압식 에너지 저장장치에 450kj 에너지를 저장하면 연속 450 x 0.85/47 = 8회의 0km/h부터 54km/h까지의 가 속과 54km/h부터 0km/h까지의 감속을 실현할 수 있다. 1km당 2회 감속 또는 가속을 한다면 지속적으로 4km 정도 주행한 후에 엔진을 시동하여 에너지를 저장할 수 있다. 사이클에서 유효한 전기 에너지 소모는 354.4x4 - 470=947Kj이다. 그러므로 전지 에너지 저장은 약 10회 사이클을 할 수 있다. 엔진 구동의 노정을 추가하면 전체 노정은 45Km이고 전체 에너지 소모는 16Mj이다. 그러나 이 사이클에서 엔진은 20 - 30% 시간 내에 고효율로 작동하며 방출하는 에너지는 6Mj이다. 엔진 효율을 28%로 계산하면 그 연료 소모량은 0.65리트이다.
만약 전지조의 전기 에너지를 정격 용량의 20%로 낮추면 반드시 엔진으로 구동하여 충전해야 한다. 매번 충전에 필요한 에너지는 약 6Mj이고, 충전일률을 5Kw로 계산하면 1회 충전은 최소 20분 걸린다. 충전한 후에 내부 루프(nner loop)를 3 - 4회 진행할 수 있다. 일반적으로 대도시에서 교통체증 고봉기는 1 - 2시간이며, 교통체증 거리는 일반적으로 20 - 50km 이내이다. 그러므로 1 - 2개 큰 사이클의 범위내에 있다.
플러그인 충전식 기계 유압전기식 순환 구동을 채택할 경우, 만약 도시 도로상태에서 1회 주행 노정이 100km 이내이면 100km의 종합 연료 소모량은 3L 오일과 4Kwh 전기의 수준 이하로 낮아진다.
이 모드에서 엔진이 비교적 긴 시간동안 작동하지 않는다. 3원 촉매(Three Way Catalyst)의 온도를 유지하여 엔진이 다시 시동할 때에 여전히 높은 촉매 변환의 효율을 유지하게 함으로써 배출량을 줄여야 한다. 본 발명은 1개 동적인 보온 커버를 설계하여 추운 계절 또는 지역에서 사용하게 한다. 즉, 엔진이 작동할 때에 열리고, 엔진이 정지(shutdown)할 때에 봉쇄함으로써 3원 촉매의 온도를 유지한다.
차량 속도가 비교적 높을 때에 될수록 엔진 작동 - 유휴상태의 사이클 모드를 사용함으로써 엔진의 시동과 정지의 횟수를 줄인다. 자동차 엔진이 유휴상태에서 연료 소모량이 비교적 적지만 에너지 절약, 환경보호 및 엔진 수명 사이의 평형을 고려해야 한다.
중속과 고속구간에서 유압 링크로 전달하는 에너지는 0 - 20%이며, 80 - 100%의 에너지는 메인 전동 체인을 통해 전동된다. 만약 상기 부품의 효율 지표가 거의 변하지 않으면, 시스템의 상기 두 링크의 총 효율은 > 20% x 74% + 80% x 96% = 91.6 %이다. 즉 최고 효율인 2단 기어 전동 효율은 96%이다. 이로 알다싶이, 이 장치의 전동 효율은 자동 변속기보다 높으며, 또한 엔진의 효율은 비교적 많이 높아져 전체 차량의 효율도 높아진다.
상기 분석에서 보다싶이, 큰 일률 유압 모터의 작용은 자동차에 1개 큰 일률의 동력 소스를 추가한 것과 같다. 그러므로 자동차는 저속에서 고속으로의 전체 범위에서서 기존 규격보다 더 큰 토크와 동력 저장을 공급받는다. 이로써 자동차 동력 시스템의 설계에서 가장 어려운 자동차 동력성과 경제성 사이의 모순을 해결했다.
본 발명의 기계 유압식 무단 변속기는 각종 형식의 전력 구동과 서로 배합하여 기계전기식 강한 혼합동력의 구동을 형성할 수도 있다. 이때에 전력 구동과 기계 유압식 무단 변속 구동은 병렬로 조합되어 모터 일률은 기계 유압전기식 혼합 구동의 출력보다 상대적으로 10 - 20kw /1500rpm 이상 높아 특별히 저속의 큰 토크 가 필요하다. 전지 유형은 반드시 비일률이 비교적 높은 것을 채택해야 한다. 예를 들면, Ni-MH전지와 리튬전지로 전력으로 단독 구동할 때의 동력 요구를 만족시킨다. 만약 허브 모터를 구동 후륜에 설치하면, 도시 도로상태에서 자동차가 저속으로 주행할 때에 기계전기식 혼합 사이클 구동을 채택한다. 전지조에 전기가 100% 충전되면 엔진을 정지시키고 모터로 단독으로 자동차를 구동하여 전진한다. 자동차가 제동할 때에 모터는 발전기로 전환하여 자동차의 운동 에너지를 전기 에너지로 전환해 전지조로 회수한다. 전지조의 전기량이 부족할 때에 엔진을 시동하고, 모터는 자동차 후륜으로 구동하여 발전기로 됨으로써 엔진의 부하를 높이고 일부 기계 에너지를 전기 에너지로 전환해 축전지에 저장한다. 자동차 후진: 모터로 역방향 회전하여 직접 자동차를 구동하여 후진한다. 예를 들면, 자동차가 도시 도로상태에서 큰 용량의 전지를 사용할 수 있으며, 중속과 고속구간에서는 작은 용량의 전지를 사용할 수 있다. 시스템은 큰 가속비의 가속 전동을 채택한다. 짧은 시간에 가속 주행할 때에 모터가 구동에 참여하여 추가 동력을 제공함으로써 엔진의 동력 수요를 낮추며 엔진 효율을 높여 에너지 절약의 목적을 달성한다.
주차장에 충전 장치를 제공할 때에 이 장치는 전기망을 통해 전지조에 충전함으로써 더 좋은 에너지 절약 효과와 환경보호 효과를 얻을 수 있다.
본 발명 장치의 타당성과 설치 가능성을 더 잘 설명하기 위해, 1대 수평 방향으로 놓인 엔진 전륜 구동의 자동차에서 본 실시예 1의 2단 기어 변속기구 무단 변속기의 기계 구조를 구체화한다. 설계한 조립도는 도 18을 참조한다.
엔진 101의 동력 출력축과 플라이 휠 102를 나사로 고정하여 연결한다. 시동 모터 기어와 플라이 휠에서의 시동 기어 링은 클러칭을 할 수 있는 연결이다. 유성기어 103의 기어 링 103c는 플라이 휠 102에 고정하여 연결한다. 태양기어 103a는 스플라인을 통해 기계식 전동기구 104의 제1 전동축 104 - 1a에 고정한다. 전동축의 양끝은 각각 구심력 테이퍼 롤러 베어링(taper roller bearings)으로 각각 엔진의 구멍과 케이스에 고정한다. 유성 케리어 103b는 전동축 슬리브(transmission shaft sleeve) 104 - 1b와 고정하여 연결된다. 전동축 슬리브는 니들 베어링(needle bearing)를 통해 제1 전동축에 연결된다. 유성기어의 로커 103d는 습식 전자기 클러치(wet electromagnetic clutch)로서 전자석 103d1, 철제 요크(iron yoke), 내부 링(inner ring), 내부 링 마찰패드(friction pad), 외부 링(outer ring)과 외부 링 마찰패드 103d3, 전자 접촉 링(electrical contact ring)과 컨트롤 전극 103d2를 포함한다. 그 내부 링은 유성 케리어 103b와 고정하여 연결되고, 외부 링과 플라이 휠 102도 유성기어의 기어 링 103c와 고정하여 연결된다. 전자석 일부는 플라이 휠 플레트(flying wheel plate)에 끼워 넣고, 그 전자 접촉 링과 컨트롤 전극은 슬라이딩 연결을 한다. 전자석에 전기를 통하여 흡인하면 로커가 록 업(lock up)이 된다. 로커의 바깥 끝은 브라시가 없는 DC 모터/발전기119의 회전자119a와 변속기 커버에 고정한 고정자119b이다. 브라시가 없는 DC모터는 축 방향 자로 또는 반지름 방향 자로의 디스크 타입의 모터일 수 있다.
기계식 전동기구의 2단 변속기어쌍의 구동기어 104 - 3a와 104 - 4a는 각각 오버러닝 클러치 104 - 3c, 104 - 4c를 통해 전동축 슬리브 104 - 1b에 끼워 넣고, 피동기어 104 - 3b와 104 - 4b는 제2 전동축 104 - 2에 고정하여 연결된다. 오버러 닝 클러치 104 - 3c, 104 - 4c는 모두 쇄기식이며 내부 링, 외부 링, 쇄기와 홀더(holder)로 구성된다. 그 외부 링과 기어의 내부 구멍은 합쳐져 구조를 간단하게 하며 반지름 치수를 줄인다. 2개 오버러닝 클러치의 내부 링이 상반되는 한쪽 끝에 축 방향 치(axial teeth)가 있으며, 양자 사이는 1개 원주 방향으로 전동축 슬리브 104 - 1b에 고정하여 연결한 축 방향으로 슬라이딩 할 수 있는 투스 임배디드식 클러치 링(clutch ring) 104 - 5a이다. 그 링의 양단은 모두 축 방향 치가 있고, 전자기 컨트롤의 조이스틱(joystick) 104 - 5b의 작용으로 좌우로 이동하며, 각각 오버러닝 클러치 104 - 3c, 104 - 4c의 내부 링 치와 맞물린다. 상기 링이 중간 위치에 멈출 때, 즉 중립위치(neutral shift)에 있을 때에 제1 전동축과 제2 전동축은 완전히 분리된다. 맞물릴 때의 충격을 줄이기 위해 슬라이딩 슬리브(sliding sleeve) 104 - 5a와 오버러닝 클러치의 내부 링 사이에 수동 변속기 싱크로나이저(synchronizer)의 원리를 참조하여 동기식 마찰 원추면을 설치할 수 있다.
제1 전동축 104 - 1a의 오른쪽 끝은 전동 기어쌍 104 - 6a, 104 - 6b에 고정하여 연결되고, 기어 104 - 6b는 제1 가변 유압 모터 107의 동력축에 고정한다. 제1 회전축 104 - 1a의 중간에 축 방향과 반지름 방향의 오일 통로(oilway)를 내어 그 오른쪽 끝의 회전 탭(rotary tap) 14 - 7을 통해 윤활유를 주입하고, 반지름 방향의 오일 통로를 통해 각각 축의 각 베어링, 유성기어열과 그 로커, 전동기어 등에 윤활유를 공급한다. 제2 가변 유압 모터 108의 동력축은 제2 전동축 104 - 2와 스플라인으로 고정하여 연결한다. 이로써 제2 전동축 104 - 2도 동력합성의 역할을 한다. 전동기어 104 - 4b는 동시에 메인 감속기의 기어 105a와 맞물려 자동차의 구 동기구 114를 구동한다. 제1 가변 유압 모터 107의 변량기구는 기름 탱크 107a로 제어하고, 제2 가변 유압 모터 108의 변량기구는 기름 탱크 108a로 제어한다. 제1 가변 유압 모터와 제2 가변 유압 모터의 고압 오일 포트 107b와 108b는 고압 오일회로와 연결된다.

Claims (37)

  1. 입력 단자, 출력 단자 및 제어 단자가 설치되어 있고 상기 입력 단자는 엔진의 출력 단자와 연결되고 상기 출력 단자는 기계식 전동기구를 통해 자동차 동력장치의 동력 출력축에 연결되는 유성기어기구와,
    유성기어기구의 제어 단자에 연결되되 유압 회로를 통해 기름 탱크와 연결되는 제1 가변 유압 모터와,
    회전축은 자동차 동력장치의 동력 출력축에 연결되고 동력 출력축을 통해 동력의 입력 또는 출력을 진행하며, 또한 유압 회로를 통해 각각 제1 가변 유압 모터와 기름 탱크에 연결되는 제2 가변 유압 모터와,
    차량의 운행 파라미터와 차량에 대한 컨트롤 파라미터를 채집하며, 또한 이러한 파라미터를 통해 컨트롤 신호를 출력하며, 상기 제1 가변 유압 모터와 제2 가변 유압 모터가 전자 제어장치의 컨트롤 신호에 응답하여 변량 조절을 진행하도록 하는 전자 제어장치와,
    유압 회로에 설치하며, 또한 전자 제어장치의 컨트롤 신호에 응답하여 제1 가변 유압 모터와 제2 가변 유압 모터의 작동상태를 제어하는 유압 제어장치를 포함하는 자동차 동력장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 유성기어기구는 한 줄의 NGW 유성기어기구 또는 NW 유성기어기구이고 한 줄의 유성기어기구는 태양기어, 유성기어, 유성 케리어 및 기어 링을 포함하며 그중에서 태양기어는 제어 단자이고, 유성 케리어와 기어 링은 각각 상기 출력 단자 또는 상기 입력 단자이며 상기 입력 단자, 출력 단자 및 제어 단자중 임의의 2개 사이에 적어도 1개 제1 클러치를 설치하고 상기 제1 클러치는 전자 제어장치의 컨트롤 신호에 응답하여 클러칭동작을 함으로써 유성기어기구가 서로 다른 전동률사이에서 전환하도록 조절하는것을 특징으로 하는 자동차 동력장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 유성기어기구는 두 줄 또는 두 줄 이상의 직렬된 유성기어기구이고 매 줄의 유성기어기구의 입력 단자, 출력 단자 및 제어 단자중 임의의 2개 사이에 제1 클러치를 설치하며, 두 줄 또는 두 줄 이상의 직렬된 유성기어기구는 적어도 2개 제어 단자를 형성하며 그중에서 한 개 제어 단자는 상기 제1 가변 유압 모터와 연결되며, 다른 제어 단자는 제2 클러치를 통해 자동차 동력장치의 케이스에 연결되며 상기 제1 클러치와 제2 클러치는 제어장치의 컨트롤 신호에 응답하여 클러칭 동작을 진행함으로써 유성기어기구가 서로 다른 전동률사이에서 전환하도록 조절하는것을 특징으로 하는 자동차 동력장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 기계식 전동기구는 2단 또는 2단 이상의 병렬된 변속기어쌍을 포함하며 상기 2단 또는 2단 이상 변속기어쌍과 유성기어기구의 출력 단자 사이에 각각 오버 러닝 클러치를 설치하고, 또한 상기 2단 또는 2단 이상의 병렬된 변속기어쌍 사이에 각각 제2 클러치를 설치하며, 상술 오버러닝 클러치와 제2 클러치는 각각 클러칭 동작을 통해 상기 기계식 전동기구의 전동률을 조절하는것을 특징으로 하는 자동차 동력장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 오버러닝 클러치는 쇄기식의 오버러닝 클러치인것을 특징으로 하는 자동차 동력장치.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 제2 클러치는 투스 임배디드식 전자기 클러치 또는 투스 임배디드식 수동 클러치이며, 그중에서 상기 투스 임배디드식 전자기 클러치는 전자 제어장치의 컨트롤 신호에 응답하여 클러칭 동작을 진행하는것을 특징으로 하는 자동차 동력장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 가변 유압 모터는 변량 유압 펌프이고 상기 제2 가변 유압 모터는 변량 유압 모터인것을 특징으로 하는 자동차 동력장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 가변 유압 모터는 변량 양방향 이중 유압 펌프/모터이며, 상기 제2 가변 유압 모터는 변량 양방향 이중 유압 펌프/모터인것을 특징으로 하는 자동차 동력장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 유압 제어장치는 제1 가변 유압 모터의 고압 오일 포트에 연결된 제1 전자기 방향 전환 밸브와 제2 가변 유압 모터의 고압 오일 포트에 연결된 제2 전자기 방향 전환 밸브를 포함하며 상기 제1 전자기 방향 전환 밸브는 전자 제어장치의 컨트롤 신호에 응답하여 제1 가변 유압 모터의 고압 오일 포트가 기름 탱크에 직접 연결된 유압 회로와 서로 통하게 하거나 제2 전자기 방향 전환 밸브에 연결된 유압 회로와 서로 통하게 하고 제2 전자기 방향 전환 밸브는 전자 제어장치의 컨트롤 신호에 응답하여 제2 가변 유압 모터의 고압 오일 포트가 기름 탱크에 직접 연결된 유압 회로와 서로 통하게 하거나 제1 전자기 방향 전환 밸브에 연결된 유압 회로와 서로 통하게 하는것을 특징으로 하는 자동차 동력장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 전자기 방향 전환 밸브와 제2 전자기 방향 전환 밸브 사이의 유압 회로는 오버플로 밸브를 통해 기름 탱크와 연결되는것을 특징으로 하는 자동차 동력장치.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 가변 유압 모터의 고압 오일 포트와 제2 가변 유압 모터의 고압 오일 포트는 각각 체크 밸브를 통해 기름 탱크와 연결됨으로써 오일 공급의 유압 회로를 형성하는것을 특징으로 하는 자동차 동력장치.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 가변 유압 모터의 저압 오일 포트와 제2 가변 유압 모터의 저압 오일 포트는 유압 회로를 통해 서로 연결되며 또한 기름 탱크와 연결되는것을 특징으로 하는 자동차 동력장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 제1 가변 유압 모터의 저압 오일 포트와 제2 가변 유압 모터의 저압 오일 포트 사이의 유압 회로에는 히트싱크가 설치되어 있는것을 특징으로 하는 자동차 동력장치.
  14. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 가변 유압 모터와 제2 가변 유압 모터의 오일 드레인 포트는 모두 필터를 통해 기름 탱크와 연결되는것을 특징으로 하는 자동차 동력장치.
  15. 청구항 1 또는 9에 있어서,
    상기 제1 가변 유압 모터와 제2 가변 유압 모터 사이의 유압 회로에는 유압식 에너지 저장장치가 설치하여 있고 제1 가변 유압 모터와 제2 가변 유압 모터에서 기계 에너지를 유압 에너지로 전환할 때에 상기 유압식 에너지 저장장치는 상기 제1 가변 유압 모터와 제2 가변 유압 모터가 출력한 유압 에너지를 저장하고 제1 가변 유압 모터와 제2 가변 유압 모터에서 유압 에너지를 기계 동력으로 전환할 때에 상기 유압식 에너지 저장장치는 상기 제1 가변 유압 모터와 제2 가변 유압 모터로에 유압 에너지를 출력하는것을 특징으로 하는 자동차 동력장치.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 유압식 에너지 저장장치는 전자 제어장치의 컨트롤 신호에 응답하여 단방향 연결과 직접 연결로 전환시키는 제어 밸브를 통해 제1 전자기 방향 전환 밸브와 연결되는것을 특징으로 하는 자동차 동력장치.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 유압식 에너지 저장장치는 분리식 에너지 저장장치로서 2개 가스 경로가 서로 통한 압력용기를 포함하며 그중에서 1개 압력용기 내에는 에어백이 설치되어 있는것을 특징으로 하는 자동차 동력장치.
  18. 청구항 15에 있어서,
    상기 제1 전자기 방향 전환 밸브 및 제2 전자기 방향 전환 밸브와 유압식 에너지 저장장치 사이의 유압 회로에는 유압식 에너지 저장장치가 제1 전자기 방향 전환 밸브 및 제2 전자기 방향 전환 밸브와 서로 통하는 여부를 제어하는 온오프 밸브가 설치되어 있고 상기 온오프 밸브는 전자 제어장치의 컨트롤 신호에 응답하여 온오프 동작을 진행하는것을 특징으로 하는 자동차 동력장치.
  19. 청구항 15에 있어서,
    상기 자동차 동력장치는 또 유압식 조력조향장치를 포함하고 상기 유압식 조력조향장치의 고압 오일 입력 단자는 상기 유압식 에너지 저장장치와 연결되는것을 특징으로 하는 자동차 동력장치.
  20. 청구항 15에 있어서,
    상기 자동차 동력장치는 또 유압 구동식 에어컨 압축기를 포함하고 상기 유압 구동식 에어컨 압축기의 고압 오일 입력 단자는 상기 유압식 에너지 저장장치와 연결되는것을 특징으로 하는 자동차 동력장치.
  21. 청구항 15에 있어서,
    상기 자동차 동력장치는 또 유압식 제동 조력장치를 포함하고 상기 유압식 제동 조력장치의 고압 오일 입력 단자는 상기 유압식 에너지 저장장치와 연결되는것을 특징으로 하는 자동차 동력장치.
  22. 청구항 1에 있어서,
    상기 전자 제어장치 내에 엔진 범용 특징 맵이 저장되어 있으며, 또한 자동차 점화 스위치의 위치 파라미터를 채집하는 위치센서, 가속 페달의 위치 파라미터를 채집하는 위치센서, 기계식 브레이크 페달의 위치 파라미터를 채집하는 위치센서, 차량속도 파라미터를 채집하는 차량속도 센서와 엔진의 회전속도 파라미터를 채집하는 엔진 회전속도 센서를 포함하는것을 특징으로 하는 자동차 동력장치.
  23. 청구항 22에 있어서,
    상기 전자 컨트롤 센서는 또 각각 제1 가변 유압 모터와 제2 가변 유압 모터의 배기량 파라미터를 채집하는 배기량 센서를 포함하는것을 특징으로 하는 자동차 동력장치.
  24. 청구항 22에 있어서,
    상기 전자 제어장치는 또 윤활유 압력을 채집하는 압력 센서를 포함하는것을 특징으로 하는 자동차 동력장치.
  25. 청구항 22에 있어서,
    상기 자동차 동력장치는 또 유압식 지원 제동페달을 포함하며 상기 페달의 위치 파라미터는 위치센서를 통해 전자 제어장치로 입력되는것을 특징으로 하는 자동차 동력장치.
  26. 청구항 22에 있어서,
    상기 전자 제어장치는 또 엔진의 냉각수 온도를 채집하는 온도센서를 포함하는것을 특징으로 하는 자동차 동력장치.
  27. 청구항 1 또는 15에 있어서,
    상기 자동차 동력장치는 또 자동차 동력장치의 동력 출력축에 연결된 모터와 1개 모터 컨트롤러를 포함하며 상기 모터는 충전전지를 통해 전력을 공급하며 상기 충전전지는 차량탑재의 전지 관리기와 연결되고 상기 모터 컨트롤러와 차량탑재의 전지 관리기는 전자 제어장치의 컨트롤 신호에 응답하여 각각 모터와 충전전지를 제어하는것을 특징으로 하는 자동차 동력장치.
  28. 청구항 27에 있어서,
    상기 충전전지는 차량탑재의 스마트 충전기를 통해 외부 전원과 연결되는것을 특징으로 하는 자동차 동력장치.
  29. 청구항 28에 있어서,
    상기 외부 전원은 주차장에 사용되는 전기량 계량과 요금 계산 기능을 가진 전원인것을 특징으로 하는 자동차 동력장치.
  30. 청구항 1에 있어서,
    상기 전자 제어장치는 유압 제어장치를 제어하여 제1 가변 유압 모터와 제2 유압 모터 사이의 유압 회로가 서로 통하게 하며, 또한 제1 가변 유압 모터와 제2 가변 유압 모터의 변량을 조절하여 제1 가변 유압 모터가 압력 오일을 출력하게 하며 제2 유압 모터의 회전축을 구동하여 회전하게 함으로써 상기 회전축과 연결된 동력 출력축의 동력출력이 유성기어기구의 구동 토크와 제2 가변 유압 모터가 출력한 토크의 합계를 얻게 하며, 자동차가 변속, 토크 변동을 하면서 주행하게 하는 제어를 진행하는것을 특징으로 하는 자동차 동력장치.
  31. 청구항 9에 있어서,
    상기 전자 제어장치는, 자동차가 시동 또는 가속할 때에 가속 페달을 밟으면 제1 전자기 방향 전환 밸브와 제2 전자기 방향 전환 밸브를 제어하여 제1 유압 모터와 제2 유압 모터의 유압 회로를 연결하게 하며 또한 자동차 가속 페달과 엔진 조절판을 연동하여 전자 제어장치가 조절판 열린 정도와 엔진의 회전속도에 따라 엔진 범용 특징 행렬로부터 엔진이 출력한 토크 값을 얻으며 유성기어열의 토크 관계 방정식에 따라 태양기어의 토크를 얻어 정격 압력에서의 제1 유압 모터의 배기량 값을 계산하며 전자 제어장치는 신호를 출력하여 제1 유압 모터의 변량기구를 제어하며 대응되게 제1 가변 유압 모터는 압력 오일을 출력하고 제2 가변 유압 모터의 회전축을 구동하여 회전하면서 토크를 출력하며 상기 회전축의 출력은 유성기어열의 구동 토크와 유압 모터가 출력한 토크의 합계를 얻어 자동차가 가속되고 상기 제2 유압 모터의 배기량은 고압 오일 포트의 압력으로 자동 제어되며 그 압력이 높을수록 배기량이 증가하며, 압력이 낮을수록 배기량이 줄어들며, 압력이 0일 경우에 배기량은 0이 되도록 제어하는것을 특징으로 하는 자동차 동력장치.
  32. 청구항 31에 있어서,
    차량속도가 예상치에 도달하면 제어장치는 제2 전자기 방향 전환 밸브를 제어하여 제2 가변 유압 모터가 직접 기름 탱크와 연결하게 함으로써 제1 가변 유압 모터와의 연결을 차단하며 제1 가변 유압 모터가 제동되며 유성기어기구의 제어 단자는 라크되어 유성기어기구가 정속비의 전동을 하게 하거나 상기 제어장치는 유성기어기구의 클러치를 제어하여 유성기어기구가 강체전동을 하게 하도록 제어하는것을 특징으로 하는 자동차 동력장치.
  33. 청구항 4에 있어서,
    차량속도가 예상치에 도달하면 상기 제어장치는 기계식 전동기구의 2단 또는 2단 이상 변속기어쌍 사이의 제2 클러치를 제어하여 클러칭 동작을 하게 함으로써 전동률의 전환을 진행하는것을 특징으로 하는 자동차 동력장치.
  34. 청구항 15에 있어서,
    상기 제어장치는 자동차의 부하가 엔진 정격부하의 10-30% 정도로 비교적 낮을 때에 상기 유성기어기구가 출력한 기계 동력의 일부는 기계식 전동장치를 통해 동력 출력축에 전달되어 자동차를 구동하여 주행하게 하고 다른 일부 기계 동력은 유압 제어장치를 통해 제1 가변 유압 모터와 제2 가변 유압 모터를 제어하여 기계 에너지를 유압 에너지로 전환함으로써 유압식 에너지 저장장치에 저장하며, 자동차 동력수요가 증가할 때에 상기 유압 제어장치를 통해 제1 가변 유압 모터와 제2 가변 유압 모터를 제어하여 유압식 에너지 저장장치에 저장된 유압 에너지가 기계 동력으로 전환하며 엔진을 지원하여 자동차를 구동하여 주행하게 하거나, 유압식 에너지 저장장치에 저장한 유압 에너지가 예정한 상한치에 도달할 경우에 엔진의 동력 출력을 정지하고 직접 유압 제어장치를 통해 제1 가변 유압 모터와 제2 가변 유압 모터를 제어하여 유압 에너지를 기계 동력으로 전환함으로써 자동차를 구동하여 주행하게 하며, 유압식 에너지 저장장치에 저장한 유압 에너지가 동력수요를 만족시키지 못할 경우에 엔진의 동력 출력을 회복하여 다음 유압 에너지와 기계 에너지 전환의 순환과정을 진행하도록 제어하는것을 특징으로 하는 자동차 동력장치.
  35. 청구항 27에 있어서,
    상기 제어장치는 엔진 동력의 출력기간에 상기 모터를 통해 일부 기계 에너지를 전기 에너지로 전환해 충전전지에 저장하고 자동차의 동력수요가 증가할 때에 모터 컨트롤러를 통해 모터를 제어하여 전기 에너지를 기계 동력으로 전환하며 엔진을 보조하여 자동차를 구동하여 주행하게 하거나 엔진이 동력 출력을 정지하는 기간에 모터를 제어하여 기계 동력을 출력하며 자동차를 구동하여 주행하게 하도록 제어를 진행하는것을 특징으로 하는 자동차 동력장치.
  36. 청구항 1 또는 9에 있어서,
    상기 제1 가변 유압 모터와 제2 가변 유압 모터 사이의 유압 회로에는 유압식 에너지 저장장치가 설치하여 있고 제1 가변 유압 모터 또는 제2 가변 유압 모터에서 기계 에너지를 유압 에너지로 전환할 때에 상기 유압식 에너지 저장장치는 상기 제1 가변 유압 모터 또는 제2 가변 유압 모터가 출력한 유압 에너지를 저장하고 제1 가변 유압 모터 또는 제2 가변 유압 모터에서 유압 에너지를 기계 동력으로 전환할 때에 상기 유압식 에너지 저장장치는 상기 제1 가변 유압 모터 또는 제2 가변 유압 모터로에 유압 에너지를 출력하는것을 특징으로 하는 자동차 동력장치.
  37. 청구항 15에 있어서,
    상기 제어장치는 자동차의 부하가 엔진 정격부하의 10-30% 정도로 비교적 낮을 때에 상기 유성기어기구가 출력한 기계 동력의 일부는 기계식 전동장치를 통해 동력 출력축에 전달되어 자동차를 구동하여 주행하게 하고 다른 일부 기계 동력은 유압 제어장치를 통해 제1 가변 유압 모터 또는 제2 가변 유압 모터를 제어하여 기계 에너지를 유압 에너지로 전환함으로써 유압식 에너지 저장장치에 저장하며, 자동차 동력수요가 증가할 때에 상기 유압 제어장치를 통해 제1 가변 유압 모터 또는 제2 가변 유압 모터를 제어하여 유압식 에너지 저장장치에 저장된 유압 에너지가 기계 동력으로 전환하며 엔진을 지원하여 자동차를 구동하여 주행하게 하거나, 유압식 에너지 저장장치에 저장한 유압 에너지가 예정한 상한치에 도달할 경우에 엔진의 동력 출력을 정지하고 직접 유압 제어장치를 통해 제1 가변 유압 모터 또는 제2 가변 유압 모터를 제어하여 유압 에너지를 기계 동력으로 전환함으로써 자동차를 구동하여 주행하게 하며, 유압식 에너지 저장장치에 저장한 유압 에너지가 동력수요를 만족시키지 못할 경우에 엔진의 동력 출력을 회복하여 다음 유압 에너지와 기계 에너지 전환의 순환과정을 진행하도록 제어하는것을 특징으로 하는 자동차 동력장치.
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