KR101197366B1 - 하이브리드 추진 시스템 - Google Patents

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KR101197366B1
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안쏘니 양 안-타오
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알리스 에이알케이 코. 엘티디.
안쏘니 양 안-타오
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Abstract

본 발명은 엔진, 모터, 트랜스미션, 엔진과 트랜스미션을 연결하는 클러치 및, 모터와 트랜스미션을 연결하며 연속적으로 변화 가능한 트랜스미션을 가지는 하이브리드 시스템이 제공된다.

Description

하이브리드 추진 시스템{HYBRID PROPULSION SYSTEM}
본 발명은 하이브리드 시스템에 관한 것이고, 보다 상세하게, 엔진, 모터, 트랜스미션, 엔진과 트랜스미션을 연결하는 클러치 및, 모터와 트랜스미션을 연결하며 연속적으로 변화 가능한 트랜스미션을 가지는 하이브리드 시스템에 관한 것이다.
본 발명 출원은 2009년 3월 17일자에 제출된 미국 특허 출원 제 61/210,222에 대해 우선권이 있다. 종래 출원 발명의 공개는 본 출원 발명 공개의 일부분이 되거나 또는 본 출원 발명 공개에서 참조에 의해 일체로 복합된다.
자동차(automobile)의 발명 이후로, 석유,석탄,천연 가스등의 화석 연료(fossil fuel)는 자동차를 추진하기 위해 필요한 주요 에너지원이 되어 왔다. 하지만, 기후 변화와 원유 가격의 상승은 에너지 효율이 좋은 자동차의 개발을 가져왔다.
하이브리드 전기 자동차(hybrid electric vehicle)는 효율적인 자동차 연료를 개발하는 데 있어 현재 대부분 공통적인 해결책이며, 이는 서로 다른 수많은 자동차 회사에 의해 이용된 서로 다른 형태를 포함한다. 하이브리드 전기 자동차는 자동차가 정지하는 동안 엔진을 멈추게 할 수 있고, 이에 따라, 냉난방 콤프레샤(air conditioning compressor), 파워스티어링 펌프(power steering pump) 및 물 펌프와 같은 엔진 엑세서리(engine accessory)는 전기적으로 구동된 유닛으로 대체되어 왔다. 이러한 디자인의 변화는 하이브리드 전기 자동차의 비용을 증가하는데 부분적으로 기여된다.
하이브리드 전기 자동차에 대한 또 다른 문제점은 공간(space)이다. 엔진과 근접한 전기 기계를 설치하기 위한 필요성 때문에, 일반적으로 엔진 크기를 줄이고, 전기 기계를 일체로 구성하기 위해 트랜스미션을 재설계하거나 또는 후드 영역(hood area)의 크기를 증가시킴으로써 전기 기계에 대해 체적(volume)이 제공되어야 한다. 다소의 필수적인 설계로 인한 이러한 방법은 비용을 증가시키는 하이브리드 전기로 변경된다.
시장에서 평행 하이브리드 시스템(parallel hybrid system)은 연속적으로 변화가능한 트랜스미션에 제한되지만, 그러나 모든 구동자(driver)가 연속적으로 변화 가능한 트랜스미션을 선호하지 않으며, 또한 이는 하이브리드 자동차의 실행에 영향을 주는 주요한 이유이다.
본 발명의 목적은 자동차용 하이브리드 추진 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 제 2 목적은 현재 사용되는 엔진 엑세서리에 적합한 하이브리드 추진 시스템을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 부합하는 제 1 실시예에 대한 투시도.
도 2는 본 발명에 부합하는 제 2 실시예에 대한 투시도.
본 발명의 원리에 부합하는 제 1 실시예에 있어서, 도 1에서 도시되는 바와 같이, 엔진(110)의 출력 샤프트(output shaft)는 클러치(clutch, 150)의 엔진 측면 샤프트(engine-side shaft, 151)에 연결된다. 상기 클러치(150)의 트랜스미션 측면 샤프트(transmission-side shaft, 152)는 트랜스미션(120)의 입력 샤프트(121)에 연결된다. 본 명세서에서 기술된 트랜스미션(120)은 완전한 트랜스미션이고, 만약 수동식 트랜스미션이 사용되는 경우, 클러치는 트랜스미션 케이싱(transmission casing) 이내에 포함되고, 자동 트랜스미션이 사용되는 경우, 토크 컨버터(torque converter)가 트랜스미션 케이싱 이내에 포함된다. 모터(130)의 로터 샤프트(rotor shaft, 131)는 연속적으로 변화 가능한 트랜스미션(140)의 모터 측면 풀리(motor-side pulley, 142)에 연결된다. 연속적으로 가변화되는 트랜스미션(140)의 트랜스미션 측면 풀리(141)는 트랜스미션(120)의 입력 샤프트(121)에 연결된다. 액세서리 풀리(132)는 모터(130)의 로터 샤프트(131)에 연결된다. 벨트(belt, 162)는 액세서리 풀리(132)와 액세서리(160)에 연결되고, 본 명세서에서 기술된 액세서리(160)는 냉난방 콤프레샤(air conditioning compressor), 파워 스티어링 펌프(power steering pump), 물 펌프, 공기 펌프, 진공 펌프 또는 그 외 다른 액세서리와 같이 자동으로 사용되는 어느 한 액세서리를 나타낸다.
수동식 트랜스미션 또는 자동식 트랜스미션이 트랜스미션(120)으로 사용되는 경우, 모터(130)는 토크 제어 모드로 사용된다. 모터(130)가 토크를 제공하는 최대 작동 rpm은 n1으로써 사전 결정된다. 모터(130)가 액세서리(160)에 전력 공급하는 최소 작동 rpm은 n4로써 사전 결정된다. 또한 n2와 n3의 그 외 다른 rpm은 n2가 n3보다 큰 n1과 n4 사이에서 사전 결정된다.
사용자가 액셀레이터 페달(accelerator pedal)을 밟기 전에, 모터(130)의 rpm은 n4를 넘어 유지된다. 이와 같이, 클러치(150)가 착탈되어 엔진 측면 샤프트(151)와 트랜스미션 측면 샤프트(152)를 분리한다. 엔진(110)은 연료를 유지하기 위하여 정지될 수 있다. 액세서리(160)는 벨트(162)와 액세서리 풀리(132)를 경유하여 모터(130)에 의해 전력이 공급된다.
사용자가 액셀레이터 페달을 밟을 때, 페달 각도는 모터(130)가 제공하는 토크 양을 특징짓는 모터 토크 제어 신호(motor torque control signal)로 전환된다. 모터(130)가 토크를 발생함에 따라 모터(130)의 rpm이 증가된다. rpm이 n2를 초과할 때, 연속적으로 가변화되는 트랜스미션(140)은 모터 측면 풀리(142)에 대해 보다 많은 부하(load)를 제공하기 위해 비율(ratio)이 변경될 것이고 이에 따라 모터(130)의 rpm이 감소된다. rpm이 n1을 초과하는 경우, 모터(130)의 토크가 제로(zero)로 설정되고, 더 이상 토크를 발생시키지 않는다. 모터(130)의 rpm이 n3 이하로 감소될 경우, 연속적으로 가변화되는 트랜스미션(140)은 부하를 감소시키기 위해 모터 측면 풀리(142) 상의 부하를 감소시키도록 변경될 것이고 이에 따라 모터(130)의 rpm은 증가된다.
사용자에 의해 요구되는 토크가 모터(130) 기능을 초과하는 경우, 이러한 시스템은 하이브리드 모드로 들어가고, 엔진(110)과 모터(130) 모두는 토크를 제공하기 위해 사용된다. 클러치(150)는 제어된 방식으로 결합하고, 이는 엔진(110)의 출력 샤프트를 스핀 회전시키며 엔진(110)을 작동시킨다.
높은 속도로 작동되는 동안에, 시스템은 엔진 모드로 들어갈 것이다. 엔진(110)은 토크를 발생시키기 위하여 사용된다. 엔진 모드로 작동되는 동안에, 클러치(150)가 결합되고 모터(130)에 대한 토크 출력은 제로이다. 상기 연속적으로 가변화되는 트랜스미션(140)은 액세서리(160)를 과도한 속도로 에너지 낭비를 방지하기 위하여 가능한 한 n4에 근접하게 상기 모터 rpm을 유지하도록 비율을 조절한다.
사용자가 브레이크 페달(brake pedal)을 밟을 때, 모터(130)는 전기를 발생시키기 위하여 제너레이터(generator)로써 사용된다. 상기 시스템은 모터(130)로부터 추출되는 전류를 제어함으로써 제동력(braking force)을 조종할 수 있다. 추가적으로 상기 시스템은 모터(130)의 rpm을 조절함으로써 제동력을 조정할 수 있고, 연속적으로 가변화되는 트랜스미션(140)은 필요한 경우 n1보다 큰 rpm으로 모터(130)를 회전시키도록 비율을 변경할 수 있다.
모터(130), 엔진(110) 또는 2개 모두가 토크에 대한 근원으로써 사용되는지 여부를 결정하는 데 있어 그 외 다른 요인이 존재할 수 있지만, 모드 결정 로직(mode decision logic)은 이러한 실시예에 있어 주요한 문제가 되지 않는 응용물 특징(application specific)이다.
트랜스미션(120)으로써 CVT형 트랜스미션이 사용될 경우, 연속적으로 가변화되는 트랜스미션(140)의 주요한 목적은 모터(130)와 엔진(110)을 브릿지 형성하는 것이고 모터(130)와 엔진(110)의 rpm 차이를 보상하는 것이다. 전기 모드 및 재생 모드 동안의 작동은 수동식 트랜스미션 또는 자동식 트랜스미션이 트랜스미션(120)으로써 사용되는 경우와 본질적으로 동일하다.
본 발명의 원리와 부합하는 제 2 실시예에 있어서, 도 2에서 도시되는 바와 같이, 엔진(210)의 출력 샤프트는 클러치(250)의 엔진 측면 샤프트(251)에 연결된다. 클러치(250)의 트랜스미션 측면 샤프트(252)는 트랜스미션(220)의 입력 샤프트(221)에 연결된다. 본 명세서에서 기술된 트랜스미션(220)은 완전한 트랜스미션이고, 수동식 트랜스미션이 사용되는 경우, 클러치는 트랜스미션 케이싱 이내에 포함될 수 있으며, 자동식 트랜스미션이 사용되는 경우, 토크 컨버터(torque converter)가 트랜스미션 케이싱 이내에 포함될 수 있다. 상기 모터(230)의 로터 샤프트(231)가 유체 정역학 트랜스미션(hydrostatic transmission, 240)의 모터 측면 유닛(241)에 연결된다. 트랜스미션(220)의 입력 샤프트(221)에 추가로, 상기 유체 정역학 트랜스미션(240)의 트랜스미션 측면 유닛(242)이 연결된다. 수압식 모터(261)가 모터 측면 유닛(241)과 트랜스미션 측면 유닛(242) 사이 수압식 라인으로 연결되고, 방향 스위치(directional switch, 263)는 수압식 모터(261)가 동일한 방향으로 언제나 회전하는 것을 보장하기 위하여 포함된다. 액세서리 풀리(232)가 수압식 모터(261)에 연결된다. 벨트(262)는 액세서리 풀리(232)와 액세서리(260)를 연결하고, 본 출원서에서 기술된 액세서리(260)는 냉난방 콤프레샤, 파워 스티어링 펌프, 물 펌프, 공기 펌프, 진공 펌프 또는 그 외 다른 액세서리와 같이 자동으로 사용되는 어느 한 액세서리를 나타낸다.
모터(230)와 모터 측면 유닛(241)은 모터 측면 유닛(241)과 트랜스미션 측면 유닛(242) 사이를 연결하는 수압식 라인과 함께 자동차의 중간 단면 또는 후방 단면에서 엔진(210)과 이격되어 위치될 수 있다. 또한, 트랜스미션(220)은 유체 정역학 트랜스미션(240)과 일체로 추가적으로 구성되도록 하우징(housing)과 함께 트랜스미션 측면 유닛(242)을 일체로 구성될 수 있다.
수동식 트랜스미션 또는 자동식 트랜스미션이 트랜스미션(220)으로써 사용되는 경우, 모터(230)는 토크 제어 모드로 사용되도록 한다. 모터(230)가 토크를 제공하는 최대 작동 rpm은 n1으로써 사전 결정된다. 모터(230)가 액세서리(260)로 전력을 전달하기 위한 최소 작동 rpm은 n4로써 사전 결정된다. 2개의 그 외 다른 rpm인 n2와 n3는 n2가 n3보다 큰 n1과 n4 사이에서 사전 결정된다.
사용자가 엑셀레이터 페달을 밟기 전에, 모터(230)의 rpm은 n4 이상으로 유지된다. 클러치(250)가 착탈되어 엔진 측면 샤프트(251)와 트랜스미션 측면 샤프트(252)를 분리한다. 엔진(210)은 연료를 보전하기 위하여 정지될 수 있다. 모터(230)는 수압식 펌프(261)에 전력을 공급하기 위하여 모터 측면 유닛(241)을 회전시킨다. 액세서리(260)는 벨트(262)와 액세서리 풀리(232)를 경유하여 수압식 펌프(261)에 의해 전력이 전달된다.
사용자가 엑셀레이터 페달을 밟을 경우, 페달 각도는 모터(230)가 제공하는 토크 양을 특징짓는 모터 토크 제어 신호로 전환된다. 모터(230)가 토크를 발생시킴에 따라, 모터(230)의 rpm은 증가한다. rpm이 n2를 초과하는 경우, 수압식 트랜스미션(240)은 모터 측면 유닛(241)에 보다 많은 부하를 제공하기 위한 비율을 변경할 것이고 이에 따라 모터(230)의 rpm은 증가된다. rpm이 n1을 초과하는 경우, 상기 모터(230)의 토크는 제로로 설정되고 더 이상 토크를 발생시키지 않는다. 모터(230)의 rpm이 n3 이하로 감소할 경우, 수압식 트랜스미션(240)은 부하를 감소하기 위해 모터 측면 유닛(241) 상의 부하를 감소하도록 변경되어 모터(230)의 rpm을 증가시킨다.
사용자에 의해 요구된 토크가 모터(230) 기능을 초과하는 경우, 시스템은 하이브리드 모드로 들어갈 것이고, 엔진(210)과 모터(230) 모두는 토크를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 클러치(250)는 조절된 방식으로 결합되고, 엔진(210)의 출력 샤프트를 회전시켜 엔진(210)을 구동한다. 높은 속도로 작동중에, 시스템은 엔진 모드로 들어간다. 엔진 모드 동안에, 클러치(250)가 결합되고 모터(230)에 대한 토크 출력은 제로이다. 수압식 모터(261)는 수압식 트랜스미션(240)으로부터 가압된 수압식 유체를 사용할 것이며 액세서리(260)에 전력을 공급한다. 방향 스위치(263)는 수압식 모터(261)의 회전 방향이 동일하게 유지되도록 보장한다.
사용자가 브레이크 페달을 밟을 경우, 모터(230)는 전기를 발생시키기 위해 제너레이터(generator)로써 사용된다. 상기 시스템은 모터(230)로부터 추출된 전류를 제어함으로써 제동력을 운영할 수 있다. 추가적으로, 상기 시스템은 모터(230)의 rpm을 조절함으로써 제동력을 운영할 수 있으며, 상기 수압식 트랜스미션(240)은 필요한 경우 n1보다 높은 rpm으로 모터(230)를 회전시키도록 비율을 변경할 수 있다.
모터(230), 엔진(210) 또는 모두가 토크를 발생시키기 위한 근원으로써 사용되는지 여부를 결정하는 데 있어 포함될 수 있는 그 외 다른 요소가 존재하지만, 모드 결정 로직은 종종 응용물 특징이고, 이는 상기 실시예에서 주요한 문제가 되지 않는다.
CVT형 트랜스미션이 트랜스미션(220)으로써 사용되는 경우, 수압식 트랜스미션(240)의 주요 목적은 모터(230)와 엔진(210)을 브릿지 형성하는 것이고 모터(230)와 엔진(210)의 rpm 차이를 보상하는 것이다. 전기 모드와 재생 모드 중의 작동은 수동식 트랜스미션 또는 자동식 트랜스미션이 트랜스미션(220)으로써 사용되는 경우와 본질적으로 동일하다.
본 발명이 실제적인 실례의 실시예가 되도록 고려되어 설명되는 반면, 본 발명은 공개된 실시예에 대해 제한되지 않으며 이와 반대로 첨부된 청구항의 범위와 정신 이내에서 포함된 다양한 수정물과 동등한 장치를 포함하도록 의도된다.

Claims (13)

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  8. 하이브리드 추진 시스템에 있어서, 상기 시스템은
    a) 출력 샤프트가 제공된 엔진,
    b) 로터 샤프트가 제공된 모터,
    c) 입력 샤프트가 제공된 트랜스미션,
    d) 모터의 로터 샤프트에 연결된 제 1 샤프트와 트랜스미션의 입력 샤프트에 연결된 제 2 샤프트가 제공된 수압식 트랜스미션,
    e) 엔진의 출력부와 수압식 트랜스미션의 제 2 샤프트를 연결하는 클러치,
    f) 상기 수압식 트랜스미션과 일체로 구성된 수압식 모터,
    g) 상기 수압식 모터와 일체로 구성된 엔진 액세서리,
    h) 상기 수압식 모터의 반전(reversal)을 방지하기 위하여 수압식 모터와 일체로 구성된 수압식 스위치를 포함하여, 자동차가 정지할 때 상기 하이브리드 추진 시스템은 클러치를 착탈하고 엔진을 멈추게 하며, 모터의 rpm을 유지하도록 하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 추진 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 모터는 전방 회전축 후방에 위치되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 추진 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서, 트랜스미션은 클러치 또는 토크 컨버터와 일체로 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 추진 시스템.
  11. 제 8 항에 있어서, 엔진 액세서리는 냉난방 콤프레샤, 파워 스티어링 펌프 또는 엔진 냉각 펌프인 것을 특징으로 하는 하이브리드 추진 시스템.
  12. 제 8 항에 있어서, 엔진 액세서리는 벨트, 체인, 기어 또는 다이렉트 커플링에 의해 수압식 모터의 로터 샤프트에 연결되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 추진 시스템.
  13. 제 8 항에 있어서, 엔진이 토크를 제공할 때 상기 수압식 트랜스미션에 의해상기 모터는 엔진보다 낮은 rpm을 가지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 추진 시스템.
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