KR101454868B1 - 듀얼 전기모터를 적용한 하이브리드 전기 자동차의 구동 시스템 - Google Patents

듀얼 전기모터를 적용한 하이브리드 전기 자동차의 구동 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 듀얼 전기모터를 적용한 하이브리드 전기 자동차의 구동 시스템 및 그 구동 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 두 개의 전기모터를 하이브리드 전기 자동차에 적용하여 상대적으로 저속 및 저토크를 요구하는 주행 조건에서는 하나의 전기모터를 작동시켜 주행하고 상대적으로 고속 및 고토크를 요구하는 주행 조건에서는 두 개의 전기모터를 동시에 작동시켜 주행하는 듀얼 전기모터를 적용한 하이브리드 전기 자동차의 구동 시스템에 관한 것이다.
이러한 본 발명은, 연료엔진; 상기 연료엔진에 의해 발생하는 전기에너지를 충전하는 배터리; 상기 배터리에 충전된 전기에너지를 교류전원으로 변환하는 인버터; 상기 인버터에서 변환된 교류전원을 이용하여 구동력을 발생시켜 구동축을 회전시키는 전기모터; 상기 인버터를 통해 전기모터의 구동력을 조절하여 속도와 토크를 제어하는 컨트롤유닛;을 포함하여 구성되되, 상기 전기모터는 제1전기모터와 제2전기모터로 구성되어 상기 인버터와 상기 구동축의 사이에 병렬로 설치되고, 상기 제1전기모터와 상기 제2전기모터의 출력단에는 상기 제1전기모터와 상기 제2전기모터의 출력을 조합하여 상기 구동축을 회전시키는 기어박스가 설치되며, 상기 인버터는 제1인버터와 제2인버터로 구성되어 상기 배터리와 제1전기모터의 사이와 상기 배터리와 제2전기모터의 사이에 각각 설치됨을 특징으로 하는 듀얼 전기모터를 적용한 하이브리드 전기 자동차의 구동 시스템을 기술적 요지로 한다.

Description

듀얼 전기모터를 적용한 하이브리드 전기 자동차의 구동 시스템{Driving System of hybrid electric vehicle with dual electric motor}
본 발명은 듀얼 전기모터를 적용한 하이브리드 전기 자동차의 구동 시스템 및 그 구동 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 두 개의 전기모터를 하이브리드 전기 자동차에 적용하여 상대적으로 저속 및 저토크를 요구하는 주행 조건에서는 하나의 전기모터를 작동시켜 주행하고 상대적으로 고속 및 고토크를 요구하는 주행 조건에서는 두 개의 전기모터를 동시에 작동시켜 주행하는 듀얼 전기모터를 적용한 하이브리드 전기 자동차의 구동 시스템에 관한 것이다.
하이브리드 전기 자동차(HEV, Hybrid Electric Vehicle)는 연비를 향상시키고 환경오염을 줄이는 효과를 발휘하는 특성을 가진 것으로, 짧은 주행거리와 높은 가격의 문제를 안고 있는 전기 자동차에 대한 대안으로 개발된 것으로, 넓은 의미로 이종의 동력원을 조합으로 구동되는 시스템 구조를 말하지만, 일반적인 의미로 연료엔진과 전기모터의 조합으로 구동되는 시스템 구조를 말한다.
즉, 하이브리드 전기 자동차는 액체 혹은 기체 연료를 사용하는 연료엔진과 전기모터를 함께 사용하여 주행에 필요한 구동력을 발생시키는 시스템 구조의 전기 자동차이다.
이러한 하이브리드 전기 자동차는 동력원의 차량 구동방법에 따라 두 가지로 대별되는데, 하나는 연료엔진으로 발전기를 작동시켜 배터리의 전원을 충전하여 배터리의 전원으로 전기모터를 작동시켜 구동력을 발생시키는 직렬 방식이고, 다른 하나는 연료엔진으로 발전기를 작동시켜 배터리의 전원을 충전하되 연료엔진과 배터리를 독립적으로 작동시켜 구동력을 발생시키는 병렬 방식이다.
전기한 직렬 방식은 구조가 간단하고 제어가 용이하고 유해가스의 배출이 적은 장점이 있다. 후기한 병렬 방식은 동력전달 효율이 높고 연료 소비율이 상대적으로 우수한 장점이다.
여기서, 전기한 직렬 방식의 하이브리드 전기 자동차는 하나의 전기모터의 출력으로부터 구동력을 발생시켜 속도와 토크를 조절하는 구조이므로 다양한 범위에서의 속도와 토크의 제어가 용이하지 못하고 동력손실이 많은 문제점이 있다.
그리고 직렬 방식의 하이브리드 전기 자동차는 하나의 전기모터가 고장으로 작동하지 않을 때는 구동력을 완전히 상실하게 되므로 주행이 불가능한 구조적인 한계가 있는 문제점도 있다.
따라서 직렬 방식의 하이브리드 전기 자동차에 있어서 토크와 속도의 제어가 용이하고 동력 손실을 줄일 수 있으면서 전기모터의 고장에도 주행에 필요한 구동력을 발생시킬 수 있는 구동 시스템에 대한 연구 개발이 절실하다.
국내 공개특허공보 제10-1998-048723호, 1998.09.15.자 공개.
본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위해 발명된 것으로서, 전기모터의 출력으로 구동력을 발생시키는 직렬 방식의 하이브리드 전기 자동차에 있어서 토크와 속도의 제어가 용이하고 동력손실을 줄일 수 있고 전기모터의 고장에도 구동력을 발생할 수 있도록 하기 위하여, 배터리의 출력단에 두 개의 전기모터를 병렬로 연결 구성하여 주행조건에 따라 한 개의 전기모터만을 선택적으로 작동시키거나 두 개의 전기모터를 동시적으로 작동시켜 구동력을 발생시키는 듀얼 전기모터를 적용한 하이브리드 전기 자동차의 구동 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 듀얼 전기모터를 적용한 하이브리드 전기 자동차의 구동 시스템은, 연료엔진; 상기 연료엔진에 의해 발생하는 전기에너지를 충전하는 배터리; 상기 배터리에 충전된 전기에너지를 교류전원으로 변환하는 인버터; 상기 인버터에서 변환된 교류전원을 이용하여 구동력을 발생시켜 구동축을 회전시키는 전기모터; 상기 인버터를 통해 전기모터의 구동력을 조절하여 속도와 토크를 제어하는 컨트롤유닛;을 포함하여 구성되되, 상기 전기모터는 제1전기모터와 제2전기모터로 구성되어 상기 인버터와 상기 구동축의 사이에 병렬로 설치되고, 상기 제1전기모터와 상기 제2전기모터의 출력단에는 상기 제1전기모터와 상기 제2전기모터의 출력을 조합하여 상기 구동축을 회전시키는 기어박스가 설치되며, 상기 인버터는 제1인버터와 제2인버터로 구성되어 상기 배터리와 제1전기모터의 사이와 상기 배터리와 제2전기모터의 사이에 각각 설치됨을 특징으로 한다.
상기 제1전기모터와 상기 제2전기모터는, 상기 컨트롤유닛이 가속페달센서와 차량속도센서를 통해 감지되는 가속페달각도와 차량속도를 입력받아 결정하는 주행모드에 따라, 상기 제1전기모터와 상기 제2전기모터의 중의 하나가 단독으로 작동하거나, 상기 제1전기모터와 상기 제2전기모터가 동시에 작동하도록 구성됨을 특징으로 하는 듀얼 전기모터를 적용한 하이브리드 전기 자동차의 구동 시스템.
상기 주행모드는, 상기 가속페달각도와 상기 차량속도에 따라, 상기 제1전기모터와 상기 제2전기모터가 동시에 작동하다가 일정속도 이상에서 상기 제1전기모터와 상기 제2전기모터 중의 하나가 단독으로 작동하는 일반주행모드; 상기 제1전기모터와 상기 제2전기모터가 동시에 작동하여 속도와 토크를 가변적으로 조절하면서 작동하는 고속주행모드; 및 상기 제1전기모터와 상기 제2전기모터가 동시에 작동하여 최대 토크를 발생하도록 작동하는 등판주행모드;로 구성됨을 특징으로 한다.
상기 제1전기모터와 상기 제2전기모터는, 상기 컨트롤유닛에 의해 상기 제1전기모터와 상기 제2전기모터 중의 하나가 고장 상태로 감지되면, 정상 상태인 나머지 하나만이 작동하여 상기 구동축을 회전시켜 주행하는 고장모드로 진입하도록 구성됨을 특징으로 한다.
상기 제1전기모터와 상기 제2전기모터 중의 하나가 단독으로 작동할 때, 동작하지 않는 나머지 다른 하나는 제동시 발생하는 상기 구동축의 동력으로부터 전기에너지를 발생시켜 상기 배터리를 충전하는 회생제동 기능을 하도록 구성됨을 특징으로 한다.
상기한 구성에 의한 본 발명은, 속도와 토크의 변화가 필요한 다양한 주행조건에 맞게 두 개의 전기모터를 모두 작동 혹은 두 개의 전기모터 중의 하나를 단독 작동시킴으로써 속도와 토크를 다양한 범위로 제어할 수 있고 동력손실을 줄일 수 있는 효과가 있다.
그리고 두 개의 전기모터 중에서 하나의 전기모터에 고장이 발생하더라도 나머지 다른 하나의 전기모터를 통해 구동력을 발생시킴으로써 전기모터의 고장으로 인한 주행 불능 상태를 해소할 수 있는 효과가 있다.
또한, 작동되지 않는 하나의 전기모터로는 제동시 발생하는 차륜의 동력으로부터 전기에너지를 발생시켜 배터리를 충전하는 회생제동 기능을 하도록 구성함으로써 연료를 더욱 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 듀얼 전기모터를 적용한 하이브리드 전기 자동차의 구동 시스템을 도시한 구성도.
본 발명에 따른 듀얼 전기모터를 적용한 하이브리드 전기 자동차의 구동 시스템은, 연료엔진에 의해 발생하는 동력에너지를 전기에너지로 변환하여 배터리에 충전하고 배터리에 충전된 전기에너지로 전기모터를 작동시켜 주행 가능한 구동력을 발생시키는 구동 시스템이다.
특히, 본 발명에 따른 듀얼 전기모터를 적용한 하이브리드 전기 자동차의 구동 시스템은, 전기모터를 듀얼로 구성하여 속도와 토크의 변화가 필요한 다양한 운영조건에 따라 두 개의 전기모터가 모두 작동하거나 혹은 하나의 전기모터가 단독 작동함으로써 속도와 토크의 제어가 용이하고 동력손실을 최소화하며 주행 불능 상태를 해소하고 연료 소모를 줄일 수 있는 것이 특징이다.
이러한 특징은, 일반적인 하이브리드 전기 자동차의 구동 시스템에 있어서, 전기모터를 두 개로 구성하여 병렬로 설치하고, 전기모터에 대응되게 인버터도 두 개로 구성하여 설치하며, 두 개의 전기모터의 출력단에 전기모터의 출력을 조합하는 기어박스를 설치한 구성에 의해 달성된다.
따라서 속도와 토크의 변화가 필요한 다양한 주행조건에 맞게 두 개의 전기모터를 모두 작동 혹은 두 개의 전기모터 중의 하나를 단독 작동시킴으로써 속도와 토크를 다양한 범위로 제어할 수 있고 동력손실을 줄일 수 있게 된다.
그리고 두 개의 전기모터 중에서 하나의 전기모터에 고장이 발생하더라도 나머지 다른 하나의 전기모터를 통해 구동력을 발생시킴으로써 전기모터의 고장으로 인한 주행 불능 상태를 해소할 수 있게 된다.
또한, 작동되지 않는 하나의 전기모터로는 제동시 발생하는 차륜의 동력으로부터 전기에너지를 발생시켜 배터리를 충전하는 회생제동 기능을 하도록 구성함으로써 연료를 더욱 절감할 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 듀얼 전기모터를 적용한 하이브리드 전기 자동차의 구동 시스템을 도시한 구성도이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 듀얼 전기모터를 적용한 하이브리드 전기 자동차의 구동 시스템(100)은 도 1에 도시된 바와 같이, 연료엔진(10), 배터리(20), 인버터(30), 전기모터(50), 컨트롤유닛(60), 및 기어박스(70)를 포함하여 구성된다.
먼저, 상기 연료엔진(10)은, 가솔린, 디젤, LPG, CNG 등의 액체 혹은 기체 연료의 연소로 발생하는 열에너지를 동력에너지로 변환하는 것으로, 이는 연료에 의한 열에너지로부터 변환되는 동력에너지로 발전기를 돌려서 전기에너지를 발생시키는 것이다.
다음으로, 상기 배터리(20)는, 연료엔진(10)의 출력단에 양 단자가 연결 설치되는 것으로, 이는 연료엔진(10)에 의해 발생된 전기에너지를 충전하는 것이다.
다음으로, 상기 인버터(30)는, 배터리(20)의 양 단자에 연결 설치되는 것으로, 이는 배터리(20)에 충전된 전기에너지를 교류전원으로 변환하는 것이다.
다음으로, 상기 전기모터(50)는, 본 발명의 가장 핵심적인 구성으로 인버터(30)의 출력 단자에 연결 설치되는 것으로, 이는 인버터(30)에 의해 변환되는 교류전원으로 작동하여 구동축(40)을 회전시키기 위한 구동력을 발생시키는 것이다.
이때 전기모터(50)는 제1전기모터(51)와 제2전기모터(52)로 구성되어 상기한 인버터(30)와 후술할 기어박스(70)의 사이에 병렬 형태로 연결 설치된다. 즉, 제1전기모터(51)와 제2전기모터(52)가 동시 작동하거나 혹은 제1전기모터(51) 또는 제2전기모터(52)가 단독 작동하도록 설치된다.
단, 제1전기모터(51)와 제2전기모터(52)의 출력단에는 제1전기모터(51)와 제2전기모터(52)의 출력을 조합하여 구동축(40)으로 전달하는 구동축(40)을 회전시키는 기어박스(70)가 더 설치된다.
그리고 인버터(30)는 제1전기모터(51)로 배터리(20)에 충전된 전기에너지를 교류전원으로 변환하여 인가하는 제1인버터(31)와, 제2전기모터(52)로 배터리(20)에 충전된 전기에너지를 교류전원으로 변환하여 인가하는 제2인버터(32)로 구성된다.
여기서, 제1전기모터(51)와 제2전기모터(52) 중의 하나가 단독으로 작동할 때, 동작하지 않는 나머지 다른 하나는 제동시 발생하는 구동축(40)의 동력으로부터 전기에너지를 발생시켜 상기 배터리(20)를 충전하는 회생제동 기능을 하도록 구성된다.
다음으로, 상기 컨트롤유닛(60)은 인버터(30)에 연결 설치되어 전기모터(50)의 구동력을 제어하는 것으로, 이는 인버터(30)를 통해 전기모터(50)의 구동력을 조절하여 속도와 토크를 제어하는 것이다.
즉, 컨트롤유닛(60)은 운전자가 가속페달, 브레이크페달, 변속레버 등을 조작할 때 이를 감지하여 인버터(30)를 통해 전기모터(50)를 제어하여 차량의 속도와 토크를 조절하는 것이다.
다시 말해, 컨트롤유닛(60)은 제1인버터(31)와 제2인버터(32)에서 각각 제1전기모터(51)와 제2전기모터(52)로 인가되는 교류전원을 제어함으로써 기어박스(70)에 의해 조합되는 제1전기모터(51)와 제2전기모터(52)의 구동력을 조절하는 것이다.
여기서, 컨트롤유닛(60)은 가속페달센서(61)에 의해 감지되는 가속페달각도와, 차량속도센서(62)에 의해 감지되는 차량속도에 의해 결정되는 주행모드에 따라 제1전기모터(51)와 제2전기모터(52)를 동시에 작동시키거나 둘 중의 하나만을 작동시키는 제어를 한다.
가속페달각도가 제1각도 이하이고 차량속도가 제1속도 이하인 차량에 시동을 걸거나 차량이 저속 주행을 하는 경우에는 일반주행모드로 판단하여 제1전기모터(51)와 제2전기모터(52)가 동시에 작동하다가 제1속도 이상에서 제1전기모터(51)와 상기 제2전기모터(52) 중의 하나가 단독으로 작동하게 된다.
가속페달각도가 제1각도 이상이고 차량속도가 제2속도 이상인 고속 주행을 하는 경우에는 고속주행모드로 판단하여 제1전기모터(51)와 제2전기모터(52)가 동시에 작동하되 속도와 토크가 가변적으로 조절되도록 작동하게 된다.
가속페달각도가 제2각도 이상이고 차량속도가 제1속도 이하인 차량이 등판 주행을 하는 경우에는 등판주행모드로 판단하여 제1전기모터(51)와 제2전기모터(52)가 동시에 작동하되 최대 토크가 발생하도록 작동하게 된다.
그리고 컨트롤유닛(60)에 의해 제1전기모터(51)와 제2전기모터(52) 중의 하나가 고정 상태로 감지되면 고장모드로 진입하여 정상 상태의 다른 하나만을 작동시켜 구동축(40)을 회전시켜 주행 가능하게 한다.
이상과 같이 본 발명에 따른 듀얼 전기모터를 적용한 하이브리드 전기 자동차의 구동 시스템은, 종래의 하이브리드 전기 자동차에 적용된 구동 시스템과 달리 전기모터를 듀얼로 구성함으로써 속도와 토크의 제어가 용이하고 동력손실을 최소화하며 주행 불능 상태를 해소하고 연료 소모를 줄일 수 있게 된다.
상기한 실시예는 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야에 대한 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양하게 변형된 다른 실시예가 가능하다.
따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위에는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 상기의 실시예뿐만 아니라 다양하게 변형된 다른 실시예가 포함되어야 한다.
10: 연료엔진 20: 배터리
30: 인버터 31: 제1인버터
32: 제2인버터 40: 구동축
50: 전기모터 51: 제1전기모터
52: 제2전기모터 60: 컨트롤유닛
61: 가속페달센서 62: 차량속도센서
70: 기어박스
100: 듀얼 전기모터를 적용한 하이브리드 전기 자동차의 구동 시스템

Claims (5)

  1. 연료엔진(10);
    상기 연료엔진(10)에 의해 발생하는 전기에너지를 충전하는 배터리(20);
    상기 배터리(20)에 충전된 전기에너지를 교류전원으로 변환하는 인버터(30);
    상기 인버터(30)에서 변환된 교류전원을 이용하여 구동력을 발생시켜 구동축(40)을 회전시키는 전기모터(50);
    상기 인버터(30)를 통해 전기모터(50)의 구동력을 조절하여 속도와 토크를 제어하는 컨트롤유닛(60);을 포함하여 구성되되,
    상기 전기모터(50)는 제1전기모터(51)와 제2전기모터(52)로 구성되어 상기 인버터(30)와 상기 구동축(40)의 사이에 병렬로 설치되고,
    상기 제1전기모터(51)와 상기 제2전기모터(52)의 출력단에는 상기 제1전기모터(51)와 상기 제2전기모터(52)의 출력을 조합하여 상기 구동축(40)을 회전시키는 기어박스(70)가 설치되며,
    상기 인버터(30)는 제1인버터(31)와 제2인버터(32)로 구성되어 상기 배터리(20)와 제1전기모터(51)의 사이와 상기 배터리(20)와 제2전기모터(52)의 사이에 각각 설치되고,
    상기 제1전기모터(51)와 상기 제2전기모터(52)는,
    상기 컨트롤유닛(60)이 가속페달센서(61)와 차량속도센서(62)를 통해 감지되는 가속페달각도와 차량속도를 입력받아 결정하는 주행모드에 따라,
    상기 제1전기모터(51)와 상기 제2전기모터(52)의 중의 하나가 단독으로 작동하거나, 상기 제1전기모터(51)와 상기 제2전기모터(52)가 동시에 작동하도록 구성되되,
    상기 주행모드는,
    상기 가속페달각도와 상기 차량속도에 따라,
    상기 제1전기모터(51)와 상기 제2전기모터(52)가 동시에 작동하다가 일정속도 이상에서 상기 제1전기모터(51)와 상기 제2전기모터(52) 중의 하나가 단독으로 작동하는 일반주행모드;
    상기 제1전기모터(51)와 상기 제2전기모터(52)가 동시에 작동하여 속도와 토크를 가변적으로 조절하면서 작동하는 고속주행모드; 및
    상기 제1전기모터(51)와 상기 제2전기모터(52)가 동시에 작동하여 최대 토크를 발생하도록 작동하는 등판주행모드;로 구성됨을 특징으로 하는 듀얼 전기모터를 적용한 하이브리드 전기 자동차의 구동 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1전기모터(51)와 상기 제2전기모터(52)는,
    상기 컨트롤유닛(60)에 의해 상기 제1전기모터(51)와 상기 제2전기모터(52) 중의 하나가 고장 상태로 감지되면, 정상 상태인 나머지 하나만이 작동하여 상기 구동축(40)을 회전시켜 주행하는 고장모드로 진입하도록 구성됨을 특징으로 하는 듀얼 전기모터를 적용한 하이브리드 전기 자동차의 구동 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1전기모터(51)와 상기 제2전기모터(52) 중의 하나가 단독으로 작동할 때, 동작하지 않는 나머지 다른 하나는 제동시 발생하는 상기 구동축(40)의 동력으로부터 전기에너지를 발생시켜 상기 배터리(20)를 충전하는 회생제동 기능을 하도록 구성됨을 특징으로 하는 듀얼 전기모터를 적용한 하이브리드 전기 자동차의 구동 시스템.
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