KR102184874B1 - 재생 모드에서 변속기의 샤프트 상에서 피니언을 동기화 시키는 동기화 장치, 그에 대응하는 동기화 방법 및 이를 구비한 차량 - Google Patents

재생 모드에서 변속기의 샤프트 상에서 피니언을 동기화 시키는 동기화 장치, 그에 대응하는 동기화 방법 및 이를 구비한 차량 Download PDF

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KR102184874B1
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battery
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페드로 크비에스카
루도빅 메리엔
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르노 에스.아.에스.
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    • B60K6/54—Transmission for changing ratio
    • B60K6/547—Transmission for changing ratio the transmission being a stepped gearing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
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    • B60L15/00—Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles
    • B60L15/20—Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles for control of the vehicle or its driving motor to achieve a desired performance, e.g. speed, torque, programmed variation of speed
    • B60L15/2009—Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles for control of the vehicle or its driving motor to achieve a desired performance, e.g. speed, torque, programmed variation of speed for braking
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60W—CONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W10/00—Conjoint control of vehicle sub-units of different type or different function
    • B60W10/04—Conjoint control of vehicle sub-units of different type or different function including control of propulsion units
    • B60W10/08—Conjoint control of vehicle sub-units of different type or different function including control of propulsion units including control of electric propulsion units, e.g. motors or generators
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60W—CONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
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    • B60W20/10—Controlling the power contribution of each of the prime movers to meet required power demand
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    • B60W20/14—Controlling the power contribution of each of the prime movers to meet required power demand in order to stay within battery power input or output limits; in order to prevent overcharging or battery depletion in conjunction with braking regeneration
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    • B60K6/42—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs characterised by the architecture of the hybrid electric vehicle
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    • B60K6/48—Parallel type
    • B60K2006/4825—Electric machine connected or connectable to gearbox input shaft
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Abstract

전기 기계(7)로부터의 전기적 토오크를 수용하는 프라이머리 샤프트(1, 6)의 프라이머리 속력(ωp)을 변속기의 세컨더리 샤프트(10)의 프라이머리 속력보다 낮은 세컨더리 속력으로 동기화 시키는 동기화 장치로서, 상기 프라이머리 샤프트(1, 6) 및 세컨더리 샤프트(10)는 분리되어 있고, 상기 프라이머리 샤프트(1, 6)는 상기 프라이머리 속력(ωp)와 관련된 운동 에너지를 가지며, 상기 프라이머리 속력이 상기 세컨더리 속력과 실질적으로 동일해질 때까지 프라이머리 샤프트(1, 6)에 전기적 제동 토오크(Te)를 공급하기 위한 수단과, 상기 프라이머리 샤프트(1, 6)에 의해 손실된 운동 에너지를 적어도 부분적으로 복원하고, 에너지 저장 수단(71)에 전기적 에너지를 전송하는 수단을 포함한다.

Description

재생 모드에서 변속기의 샤프트 상에서 피니언을 동기화 시키는 동기화 장치, 그에 대응하는 동기화 방법 및 이를 구비한 차량
본 발명은 자동 변속기가 장착된 하이브리드 또는 전기 자동차의 변속 기어 분야에 관한 것이다. 특히, 프라이머리 샤프트와 세컨더리 샤프트를 동기화 시키기 위한 장치에 관한 것이다. 또한 해당 차량 및 해당 방법에 관한 것이다.
본 발명은 평행한 축을 갖는 임의의 변속기에 적용되며, 여기서 토오크의 차단과 함께 변속비의 변화는 차량의 휠에 연결된 샤프트상에서 자유롭게 회전하는 2 개의 기어 사이의 커플링 수단의 이동에 의해 영향을 받는다.
적어도 하나의 중간 기어를 차량의 휠에 연결된 세컨더리 샤프트에 각각 운반하는 2 개의 동심원 프라이머리 샤프트와,
3개의 위치를 점유할 수 있는 2개의 프라이머리 샤프트들 사이의 제 1 연결 수단을 포함하는, 내연 기관 및 전기 구동 기계가 제공된 차량용 하이브리드 트랜스미션에 하나의 비-제한적인 적용예를 발명하게 되었는데, 여기서, 3개의 위치는, 연소 엔진이 전기 기계를 휠에 연결하는 변속기로부터 분리되는 제 1 위치, 연소 엔진이 전기 기계로부터 탑-업(top-up)이 있거나 없이 휠을 구동하는 제 2 위치, 또는 연소 엔진이 추가될 토오크를 위하여 전기 기계에 연결되는 제 3 위치이다.
도 1은 이러한 아키텍처 원리에 기초한 하이브리드 변속기의 하나의 비 한정적인 예를 설명한다. 이 변속기는 필터 시스템(댐퍼 허브, 댐퍼 더블 플라이휠 등)(2)에 의해 연소 엔진(도시하지 않음)의 플라이휠(3)에 직접 연결된 중실(solid) 프라이머리 샤프트(1)을 포함한다. 중실 프라이머리 샤프트(1)는 제 1 커플링 시스템(5)(도그 클러치, 싱크로 나이저 또는 다른 유형의 프로그레시브 또는 비-프로그레시브 커플러)에 의해 후자와 연결될 수 있는 아이들러 기어(4)를 구비한다. 중공 프라이머리 샤프트(6)는 전기 기계(7)의 로터에 연결된다. 상기 중공 프라이머리 샤프트(6)는 2 개의 고정 기어(8, 9)를 지지한다. 이것은 중실 프라이머리 샤프트(1)에 커플링 시스템(5)에 의해 연결될 수 있다. 세컨더리 샤프트(10)는 2개의 아이들러 기어(11, 12)를 지지한다. 상기 아이들러 기어(11, 12)는 제 2 커플링 시스템(13)(도그 클러치, 싱크로 나이저 또는 다른 유형의 프로그레시브 또는 비-프로그레시브 커플러)에 의해 프라이머리 샤프트에 연결될 수 있다. 상기 세컨더리 샤프트(10)는 또한 차량의 휠에 연결된 차동 장치(16)에 대하여 고정 기어(14) 및 중간 기어(15)를 지지한다.
전술한 바와 같이, 제 1 커플링 수단(5)은 :
- 연소 엔진이 전기 기계(7)를 휠에 연결하는 변속기로부터 분리되는 위치 (도 1의 경우 처럼 중앙에 슬라이딩 기어가 위치),
- 연소 엔진이 전기 기계에서 팁 업이 있거나 없이 휠을 구동하는 위치 (왼쪽에 슬라이딩 기어가 위치),
- 연소 엔진 및 전기 기계(7)는 각각의 토오크를 휠의 방향에 부가하도록 결합되는 위치 (우측에 슬라이딩 기어가 위치)인, 적어도 3가지 위치를 점유할 수 있다.
자동 변속기가 장착된 차량의 운전자 편의는 기어 변경에 소요되는 시간에 크게 좌우된다. 기어 변속은 프라이머리 샤프트의 속력과 세컨더리 샤프트의 속력의 속력 차이에 감속비를 곱한 속력 차이의 감소를 필요로 하는데, 이 감속비는 결합된 변속비에 따라 결정된다. 프라이머리 샤프트 및 세컨더리 샤프트의 커플링은 속력 차이가 특정 임계 값 아래로 떨어질 때만 가능하다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 예를 들어 도 2a의 변속비 EV2에서 변속비 EV1 로의 저단 변속(down shift)시에, 상기 프라이머리 샤프트는 2000 rpm의 프라이머리 속력(ωp)에서 도 2b의 6000 rpm의 프라이머리 속력(ωp)으로 가속되어야 하며; 예를 들어 도 2a의 변속비 EV1에서 변속비 EV2 로의 고단 변속(up shift)시에, 프라이머리 샤프트는 예를 들어, 6000 rpm의 프라이머리 속력(ωp)에서 도 2b의 2000 rpm의 프라이머리 속력(ωp)으로 감속되어야 한다. 도 1에서, 변속비(EV1)는 기어(8 및 12)에 대응하고, 도그 클러치(13)는 우측에 위치되고, 변속비(EV2)는 기어(9 및 11)에 대응하며, 도그 클러치(13)는 좌측에 위치된다.
특허 출원 FR2988799 및 FR3003620은 하이브리드 차량에 대해 차량의 전기 기계를 사용하여 프라이머리 샤프트를 차량의 세컨더리 샤프트와 동기화시키고, 특히 저단 변속 기어 변경 중에 토오크를 제공할 것을 제안한다. 고단 변속 기어 변경의 경우, 프라이머리 샤프트를 제동하기 위해 프라이머리 샤프트의 프라이머리 속력과 관련된 운동 에너지의 일부가 기계적 손실을 통해 소산된다.
차량의 에너지 소비를 줄이는 맥락에서, 고단 변속 기어 변경 중에 프라이머리 샤프트의 감속으로 인한 운동 에너지를 배터리의 전기 에너지 형태로 복구하는 것이 중요하다. 목표는 200ms 정도의 짧은 동기화 시간을 달성하는 것이고, 관련된 전력은 50kW 정도로 상대적으로 높다. 이제 배터리가 거의 100 %에 가까운 충전 레벨(예 : 90 %)에 도달하면, 전력이 거의 소모되지 않는다. 이것은 기어 변속기 고단 변속 동안 에너지의 회복에 장애가 된다.
또한 고속 하향 변속을 가능하게 하기 위해 프라이머리 샤프트를 가속하기 위해 높은 전력을 전기 기계에 공급할 필요가 있다. 이제 배터리가 0 %에 가까운 충전 레벨, 예를 들어 10 %에 도달하면 배터리는 거의 전력을 공급할 수 없다. 이는 운전자가 편안하게 지낼 수 있는 장애물이다.
본 발명은 전술한 단점들을 완화시키는 것을 목표로 하는 해결책을 제안한다. 본 발명의 한 가지 목적은 고단 변속 기어 변경 동안 샤프트를 동기화시키기 위해 전기 기계의 재생 모드를 사용함으로써 더 나은 에너지 효율을 가능하게 하는 것이다. 또한, 본 발명은 운전자의 쾌적성을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 변속기의 세컨더리 샤프트의 프라이머리 속력보다 낮은 세컨더리 속력을 갖는 전기 기계로부터의 전기적 토오크를 수용하는 프라이머리 샤프트의 프라이머리 속력의 동기화를 위한 장치에 관한 것으로, 상기 프라이머리 샤프트 및 세컨더리 샤프트는 분리되어 있고, 상기 프라이머리 속력이 세컨더리 속력과 실질적으로 동등해질 때까지 상기 프라이머리 샤프트에 전기적 제동 토오크를 공급하는 수단과, 전기 에너지의 형태로, 상기 프라이머리 샤프트에 의해 손실된 운동 에너지를 적어도 부분적으로 복원하고, 에너지 저장 수단에 상기 전기적 에너지를 전송하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 장치는 인버터를 포함한다. 회생 요소로서 인버터를 사용하는 것은, 인버터가 전기 기계의 공급 전압을 생성하기 위해 이미 존재하는 경우 프라이머리 샤프트의 운동 에너지를 회수하기 위해 추가적인 부품을 필요로 하지 않는다는 이점을 갖는다.
일 실시예에 따르면, 에너지 저장 수단은 에너지 버퍼에 결합된 배터리를 포함한다. 배터리에 결합된 에너지 버퍼는 배터리의 충전 레벨이 무엇이든 관계없이 저장 수단이 배터리의 최대 가용 전력에 대응하는 전력을 공급할 수 있게 한다. 유사한 방식으로, 배터리에 결합된 에너지 버퍼는 배터리의 충전 레벨에 관계없이 저장 수단이 배터리의 최대 허용 전력에 대응하는 전력을 수용할 수 있게 한다. 결과적으로, 이 실시예는 운전자의 안락함을 향상시키고 에너지 효율을 향상시키는 것을 가능하게 한다.
일 실시예에 따르면, 에너지 버퍼는 적어도 하나의 수퍼 커패시터(super capacitor)를 포함한다. 수퍼 커패시터는 제한된 비용 및 제한된 전체 크기로 본 발명이 목표로 하는 에너지 저장 용량을 달성할 수 있는 이점을 갖는다.
하나의 실시예에 따르면, 장치는 프라이머리 샤프트가 세컨더리 샤프트와 동기화되면 프라이머리 샤프트의 제동 중에 에너지 버퍼에 전기 에너지를 충전하고 에너지 버퍼를 배터리에 방전하도록 구성된 제어 유닛을 더 포함한다. 상기 제어 유닛은 배터리 및 에너지 버퍼의 충전 및 방전을 조정할 수 있게 한다.
하나의 실시예에 따르면, 제어 유닛은 초핑(chopper) 회로를 포함한다. 초핑 회로는 배터리에 연결된 전압 제한없이 에너지 버퍼의 적절한 전류 및 충전으로 배터리로 에너지 버퍼를 방전할 수 있다.
하나의 실시예에 따르면, 상기 제어 유닛은 미리 정의된 낮은 임계치 아래에서 배터리의 충전 레벨의 통과를 검출하고 낮은 임계치 아래로 배터리의 충전 수준의 통과가 감지되는 경우 에너지 버퍼에서 소정의 에너지 수준을 유지하도록 구성된다. 따라서, 배터리의 충전 레벨이 배터리가 전기 기계에 저단 변속 기어 변경 동안 충분히 빠른 동기화에 필요한 전력을 공급할 수 없게 된다면, 에너지 버퍼는 전력의 탑업(top up)을 전기 기계에 공급하는 가능한 충분한 에너지를 가지게 된다.
일 실시예에 따르면, 배터리는 기어비가 변경된 후에 소정의 에너지 레벨이 에너지 버퍼에 유지되도록 하는 에너지를 공급한다.
일 실시예에 따르면, 전기 기계가 프라이머리 샤프트의 프라이머리 속력을 세컨더리 샤프트의 프라이머리 속력보다 높은 세컨더리 속력와 동기화 시키기 위하여 가속 토오크를 공급할 때, 상기 제어 유닛은 에너지 버퍼에 포함된 에너지를 전기 기계에 공급하도록 구성된다. 따라서, 동기화 시간이 단축되고 운전자 편의가 향상된다.
본 발명은 또한 상기 장치를 포함하는 전기 또는 하이브리드 자동차에 관한 것이다.
본 발명은 또한 전기 기계로부터의 전기적 토오크를 수신하는 프라이머리 샤프트의 프라이머리 속력을 변속기 세컨더리 샤프트의 프라이머리 속력보다 낮은 세컨더리 속력과 동기화 시키는 방법에 관한 것으로, 상기 프라이머리 샤프트 및 세컨더리 샤프트는 분리되고, 상기 프라이머리 샤프트는 프라이머리 속력과 관련된 운동 에너지를 가지며, 상기 전기 기계는 프라이머리 속력이 세컨더리 속력과 실질적으로 동일해질 때까지 전기 제동 토오크를 프라이머리 샤프트에 회생 모드로 공급하도록 제어되어, 적어도 부분적으로 상기 프라이머리 샤프트의 운동 에너지를 저장하고 상기 에너지를 저장 수단에 전달하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 종래기술의 문제점이 해결되어, 고단 변속 기어 변경 동안 샤프트를 동기화시키기 위해 전기 기계의 재생 모드를 사용함으로써 더 나은 에너지 효율을 가능하게 하게 되며, 운전자의 쾌적성을 향상된다.
다른 혁신적인 이점들 및 특징들은 첨부된 도면들을 참조하여 비 제한적 예로서 제공되는 다음의 설명으로부터 나올 것이다.
도 1은 중립에서의 종래 기술의 하이브리드 변속기 및 두 개의 전기 비율을 도시한다.
도 2a는 종래 기술에서의 시간에 따른 변속비의 변화를 도시한다.
도 2b는 도 2a의 변속비의 변화에 대응하는 프라이머리 샤프트의 프라이머리 속력의 변화를 도시한다.
도 3은 축의 파크 시스템에서의 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 기계의 개략도이다.
도 4는 도 3의 전기 기계의 제어 구조의 다이어그램이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에서의 시간에 따른 변속비의 변화를 도시하는 도면이다.
도 5b는 도 5a의 변속비의 변화에 대응하는 전기 기계에 의해 공급된 토오크의 변화를 도시하는 도면이다.
도 5c는 도 5b에서 전기 기계에 의해 공급되는 토오크의 변화에 대응하는 배터리의 단자에서의 전압의 변화를 도시한다.
도 6은 배터리 사용 가능 전력과 배터리 수용 가능 전력을 에너지 버퍼가 있거나 없는 배터리의 충전 수준의 함수로 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 버퍼를 포함하는 에너지 저장 수단의 기능적 다이어그램이다.
도 8은 도 7의 에너지 버퍼와 그 컨트롤 유닛의 기능적 다이어그램이다
자동 변속기를 구비한 하이브리드 또는 전기 자동차와 관련하여, 본 발명은 프라이머리 샤프트가 전기 기계로부터 토오크를 수신하며, 세컨더리 속력은 프라이머리 속력보다 낮은, 즉, 고단 변속 기어 변경의 경우에서, 프라이머리 샤프트의 프라이머리 속력을 변속기 세컨더리 샤프트의 세컨더리 속력과 동기화시키는 장치를 제안한다. 여기서. 이러한 동기화 중에 프라이머리 샤프트 및 세컨더리 샤프트가 분리된다. 즉 기어 박스가 중립 상태에 있고 차량이 아이들링 시동 중이다. 상기 구성에서, 동기화는 전기 기계를 제어하여, 프라이머리 속력과 세컨더리 속력 사이의 차이가 소정의 임계값 아래가 될 때까지 프라이머리 속력을 감소시키기 위해 프라이머리 샤프트에 제동 토오크를 공급한다. 회전하는 프라이머리 샤프트에는 프라이머리 속력과 관련된 운동 에너지가 있다. 이제 프라이머리 속력의 감소는 프라이머리 샤프트의 운동 에너지 감소로 이어진다. 본 발명은 전기 기계에 의해 제동되는 동안 프라이머리 샤프트의 운동 에너지의 일부를 흡수하고 그것을 방출하기보다는 저장하는 것을 제안한다. 운동 에너지 부분은 재생 요소에 의해 흡수되어 전기 에너지로 변환된 다음 에너지 저장 수단으로 보내진다.
도 3에서, 본 발명에 따른 전기 기계(7)는 파크 시스템의 축(Park system of Axes)에서 개략적으로 도시된다. 상기 전기 기계(7)는 예를 들어 영구 자석 3 상 동기 전기 기계이다. 상기 전기 기계(7)는 세 개의 축(x1, x2, x3)과 정렬된 3 개의 권선(31, 32 및 33)을 포함하는 고정자를 포함하며, 이들 사이에 2π/3의 3 개의 각도가 형성된다. 3 개의 권선(31, 32, 33)은 각각 2π/3만큼 위상 시프트된 정현파 전류(I1, I2, I3)를 각각 순환시킨다. 정현파이고 각각 2π/3만큼 위상 시프트된 전압(V1, V2 및 V3)이 3 개의 권선(31, 32, 33)의 단자에 각각 인가된다. 따라서 고정자는 전기 기계(7)에 회전 자기장을 생성한다. 상기 전기 기계(7)는 고정자에 의해 생성된 회전 자기장과 자연적으로 정렬되는 영구 자석을 포함하는 회전자(34)를 더 포함하여, 각속도(ωr)로 회전하게 된다. 이 예의 구성에서, 각속도(ωr)는 전류 및 전압 정현파 신호의 각 주파수와 같다. 도시된 파크 시스템의 축은 두 개의 축 d 및 q를 포함하며, d 는 회전 자기장과 정렬되고, q는 d에 직교한다. 파크 시스템의 축에서 전류와 전압의 투영은 일정하다.
전기 기계(7)를 사용하여 제동 샤프트에 제어된 제동 토오크를 공급하기 위한 목적으로, 제어 구조체가 제안된다. 도 4는 도 3에 도시된 모델에 대응하는 제어 구조 예를 제안한다. 도 3의 모델은 전기 기계(7)를 제어하는데 사용되는 다양한 파라미터들 사이에 다음의 방정식이 성립되도록 한다:
Figure 112018121884513-pct00001
여기서,
- Vd 및 Vq는, 볼트 단위로, 파크 시스템의 축의 축 d 및 q에 각각 인가된 전압이며,
- Id와 Iq는, 암페어 단위로, 파크 시스템의 축의 축 d와 q에서 각각 순환하는 전류이며,
- Rs는, 오옴 단위로, 전기 기계의 고정자에 대한 등가 저항이며,
- Ld와 Lq는, 헨리(Henries) 단위로, 파크 시스템 축의 축 d와 q에 대한 인덕턴스이며,
- ωr는, 초당 라디안 단위로, 전기 기계의 자기장의 회전 속력이며,
- Øf는, 웨버 단위로, 로터 자석에 의해 생성된 플럭스이다.
이 표기법으로, 전기 기계는 다음과 같이 쓰여진 토오크(Te)를 공급한다.
(E2) Te = Øf · Iq + Id · Iq (Ld - Lq)
상기 방정식은 도 4의 제어 구조가 성립되도록 한다. 입력 데이터(Te_cons)는 전기 기계(7)에 의해 공급될 설정 점 제동 토오크에 대응한다. 제 1 계산 모듈(41)은 파크 시스템 축의 설정 점 전류(Id_cons 및 Iq_cons)의 설정 점 제동 토오크(Te_cons)로부터 수학식 E2를 만족하도록 계산한다. 제 2 계산 모듈(42)에 의해 설정 점 전류(Id_cons 및 Iq_cons)는 전기 기계(7)에서 측정 된 전류(I1, I2 및 I3)의 파크 변환으로부터 얻어진 전류(Id 및 Iq)와 비교되며, 파크 변환은 제 3 계산 모듈(43)에 의해 계산된다. 제 2 계산 모듈(42)로부터 전류(Id_cons-Id 및 Iq_cons-Iq)의 비교는 제 4 계산 모듈(44)에서 보정된 전류 설정 점(Id_cons.c 및 Iq_cons.c)의 계산을 가능하게 한다. 정정된 전류 설정 점(Id_cons.c 및 Iq_cons.c)로부터, 파크 시스템의 축의 전압 설정 포인트(Vd_cons 및 Vq_cons)가 방정식 E1의 시스템에 따라 제 5 계산 모듈(45)에서 계산된다. 제 6 계산 모듈(46)은 실제 전압 설정 점(V1_cons, V2_cons 및 V3_cons)을 얻기 위해 파크 시스템의 축 시스템에서의 전압 설정 점(Vd_cons 및 Vq_cons)에 기초하여 역 파크 변환을 계산한다. 인버터(70)는 실제 전압 설정 점(V1_cons, V2_cons 및 V3_cons)을 따르는 정현파 전압(V1, V2 및 V3)을 전기 기계(7)에 인가한다.
설정 점 제동 토오크(Te_cons)를 적용함으로써 얻어진 제동 토오크(Te)는 프라이머리 속력과 세컨더리 속력 사이의 차이가 소정의 임계 값 아래로 떨어질 때까지 유지된다.
인버터(70)는 제동시 프라이머리 샤프트에 의해 손실된 운동 에너지의 일부를 흡수하여 이 운동 에너지의 일 부분을 전기 에너지로 변환하고 상기 전기 에너지를 예를 들어 배터리와 같은 에너지 저장 수단으로 전달하도록 구성된다. 이 예에서, 인버터(70)는 재생 요소이다.
도 5a, 도 5b 및 도 5c는 예를 들어 EV1에서 EV2 로의 고단 변속비 변화 동안, 전기 기계(7)가 프라이머리 속력(ωp)를, 예를 들어 6000 rpm에서 2000 rpm으로 감소시키기 위해 음의 토오크(Te)를 공급한다는 것을 보여준다. 이 경우, 인버터는 프라이머리 샤프트의 운동 에너지로 생성된 전기 에너지를 배터리로 보내고 배터리 단자의 전압(Ubatterie)는 증가하게 된다. 반대로, 예를 들어, EV2에서 EV1으로의 저단 변속비 변화 중에, 상기 전기 기계(7)는 프라이머리 속력(ωp)을 예를 들어 200rpm 에서 6000rpm 으로 증가시키기 위해 양의 토오크 Te를 공급한다. 이 경우, 상기 인버터는 배터리로부터 전기 에너지를 취하고 배터리 단자의 전압(Ubatterie)는 감소하게 된다.
도 6에서 배터리의 충전 수준과 배터리가 공급할 수 있는 사용 가능한 전력(Pdisponible) 및 배터리가 수신할 수 있는 허용 전력(Padmissible)의 함수로 표시된다. 전통적인 구성, 즉 그래프의 음영이 아닌 부분을 고려할 때, 배터리의 충전 레벨이 낮으면(예 : 충전 수준이 10 % 미만인 경우) 배터리는 충전 레벨이 10% 이상일 때 가능한 전력(Pmax - dispoavailable)보다 작은 제한된 전력(Pdisponible)만 공급할 수 있다. 결과적으로, 상기 배터리는 양호한 구동 편의를 제공하기에 충분히 짧은 시간 내에 프라이머리 샤프트 및 세컨더리 샤프트를 동기화하기에 충분한 전압(Ubatterie)를 공급할 수 없다. 유사한 방식으로, 배터리의 충전 레벨이 높은 경우, 예를 들어, 충전 레벨이 90 % 이상인 경우, 배터리는 충전 레벨이 90% 미만일 때 허용되는 전력(Pmax-admis) 보다 작은 제한된 전력(Padmissible)만을 수신할 수 있다. 결과적으로, 배터리는 양호한 운전자 편의를 제공하기에 충분히 짧은 시간 내에 1 차 및 세컨더리 샤프트를 동기화시키기에 충분한 전압(Ubatterie)를 수신할 수 없다. 이 경우, 기계적 손실을 통해 프라이머리 속력이 감소되고, 프라이머리 속력의 감소에 해당하는 운동 에너지가 발산된다. 이러한 상황은 운전자의 안락성이 열악해지고 에너지 효율도 열악해지는 두 가지 단점을 낳는다. 본 발명은 충전 레벨이 10 % 미만 또는 90 % 이상인 제한 상황을 포함하여 최적 작동을 제공하기 위해 에너지 버퍼를 배터리에 결합하는 것을 제안한다. 최적 작동은 배터리의 충전 레벨이 무엇이든 그래프의 해칭 부분 및 비해칭 부분의 조합에 의해 도 6에 도시된 바와 같이, Pmax _ dispo와 동일한 가용 전력(Pdisponible) 및 Pmax_admis와 동일한 허용 전력(Padmissible)에 대응한다.
에너지 버퍼를 평가하는 순수한 예시의 관점에서, 전기 기계의 공칭 전력은 50kW 정도이고 동기화 시간은 200ms 정도이며, 에너지 버퍼는 50kW의 전력을 수신하거나 공급하고, 10kJ의 에너지를 수신하거나 공급하도록 평가되어야 한다. 에너지 버퍼는 예를 들어 50mF의 등가 커패시턴스를 얻기 위한 일련의 수퍼 커패시터의 세트이며, 이러한 수퍼 커패시터는 한정된 비용과 제한된 전체 크기로 에너지 저장 용량을 달성할 수 있는 이점을 갖는다.
도 7에는 제어 유닛(74)에 의해 제어되는 배터리(72) 및 에너지 버퍼(73)를 포함하는 저장 수단(71)이 도시되어있다.
도 8에는 도 7의 에너지 버퍼(73)가 도시되어있다. 상기 에너지 버퍼(73)는 일련의 수퍼 커패시터(80) 세트 및 제 2 시간주기에서 에너지를 출력하기 위해 제 1 시간주기에서 에너지 저장을 가능하게 하는 권선(81)을 포함한다. 상기 에너지 버퍼(73)는 또한 제어 유닛(74)의 출력(Com2 및 Com2)에 의해 각각 제어되고 전류의 방향을 부과하는 다이오드(83 및 85)에 각각 결합된 2 개의 트랜지스터(82 및 84)를 포함한다. 다이오드(83)는 수퍼 커패시터(80)의 세트의 충전에 대응하는 전류 방향을 부과하고, 다이오드(85)는 수퍼 커패시터 세트를 방전시키는 것에 대응하는 전류 방향을 부과한다. 결과적으로, 에너지 버퍼(73)의 충전을 제어하기 위해, 제어 유닛(74)은 트랜지스터(82)의 폐쇄 및 트랜지스터(84)의 개방을 명령하고, 방전을 위해서는 그 반대를 명령한다. 에너지 버퍼(73)는 수퍼 커패시터(80) 세트의 단자에서 전압의 초핑을 가능하게 하는 트랜지스터(86)를 더 포함한다. 에너지 버퍼(73)를 충전하는 단계에서, 수퍼 커패시터(80)의 세트의 단자에서의 전압이 배터리 단자에서의 전압보다 낮을 때, 상기 전압 제어 유닛(74)은 트랜지스터(86)의 개방을 명령한다. 수퍼 커패시터의 세트 및 배터리의 단자에서의 전압의 비율이 역전되면, 상기 제어 유닛(74)은 트랜지스터(86)의 개방 및 폐쇄의 사이클을 명령하여, 배터리 전압 미만의 수퍼 커패시터(80)의 세트의 단자에서의 평균 전압을 복귀시키도록 수퍼 커패시터(80)의 세트의 단자에서의 전압을 초핑하고 따라서 에너지 버퍼를 충전하는 것을 계속하게 된다. 에너지 버퍼를 배터리로 방전하는 단계에서, 상기 제어 유닛(74)은 상기 트랜지스터(86)가 수퍼 커패시터의 세트의 단자에서의 전압을 초핑하도록 명령하여 배터리(72)에 보내진 충전 전류를 조절하게 된다.
배터리의 충전 레벨이 낮은 경우에 양호한 운전자 편의를 보장하기 위해, 제어 유닛(74)은 미리 정의된 낮은 임계 값 이하로 배터리의 충전 레벨의 통과를 검출하고, 배터리에 의해 에너지 버퍼(73)에 전력을 공급하는 것을 명령하도록 구성되어, 달성되는 허용가능한 최대 전력 레벨에 동기화하여 에너지 버퍼의 가능한 속력에서의 소정의 에너지 레벨을 유지하게 된다. 배터리는 미리 정의된 낮은 임계치 아래로 배터리의 충전 레벨의 통과를 검출하기 위해 제어 유닛(74)에 필요한 정보를 일상적으로 CAN이라 불리는 차량의 통신 네트워크를 통해 송신한다. 에너지 버퍼(73)가 관련되는 경우, 전압 측정 컴포넌트는 에너지 버퍼에 저장된 에너지의 평가를 가능하게 한다.
본 발명은 위에서 예시적으로 기술되었다. 통상의 기술자는, 예를 들어, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고, 개별적으로 또는 조합하여 상기 다양한 특징을 연관시킴으로써, 본 발명의 상이한 변형 실시예를 제조할 수 있는 위치에 있음을 이해할 것이다.
7: 전기 기계
31, 32, 33: 권선
41, 42, 43, 44: 순환 모듈
73: 에너지 버퍼

Claims (10)

  1. 전기 기계로부터의 전기적 토오크를 수용하는 프라이머리 샤프트의 프라이머리 속력을 변속기의 세컨더리 샤프트의 프라이머리 속력보다 낮은 세컨더리 속력으로 동기화 시키는 동기화 장치로서,
    상기 프라이머리 샤프트 및 세컨더리 샤프트는 분리되어 있고, 상기 프라이머리 샤프트는 상기 프라이머리 속력과 관련된 운동 에너지를 가지며,
    상기 프라이머리 속력이 상기 세컨더리 속력과 동일해질 때까지 프라이머리 샤프트에 전기적 제동 토오크를 공급하기 위한 수단; 및,
    상기 프라이머리 샤프트에 의해 손실된 운동 에너지를 전기적 에너지의 형태로 적어도 부분적으로 회복하고, 에너지 저장 수단에 상기 전기적 에너지를 전송하는 수단;을 포함하고,
    상기 에너지 저장 수단은 에너지 버퍼에 연결된 배터리를 포함하며,
    상기 프라이머리 샤프트의 제동시에 상기 에너지 버퍼에서 상기 전기적 에너지를 충전하고, 상기 프라이머리 샤프트가 동기화되면 상기 에너지 버퍼를 배터리에 방출하도록 된 제어 유닛을 더 포함하며,
    상기 제어 유닛은 미리 정의된 낮은 임계치 아래에서 상기 배터리의 충전 레벨의 통과를 검출하고, 상기 배터리의 충전 레벨이 상기 낮은 임계치 아래에서 통과하는 것을 검출하는 경우에 에너지 버퍼에서 미리 정해진 에너지 레벨을 유지하도록 된 것을 특징으로 하는, 동기화 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    인버터를 포함하는 것을 특징으로 하는, 동기화 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 에너지 버퍼는 적어도 하나의 수퍼커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는, 동기화 장치.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 초핑 회로(chopper circuit)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 동기화 장치.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 기계가 상기 프라이머리 샤프트의 프라이머리 속력을 상기 세컨더리 샤프트의 프라이머리 속력보다 높은 세컨더리 속력과 동기화하도록 가속 토오크를 공급할 때, 상기 제어 유닛은 상기 에너지 버퍼에 수용된 에너지를 상기 전기 기계에 공급하도록 된 것을 특징으로 하는, 동기화 장치.
  9. 제 1 항에 따른 장치를 포함하는 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차.
  10. 전기 기계로부터의 전기적 토오크를 수용하는 프라이머리 샤프트의 프라이머리 속력을 변속기의 세컨더리 샤프트의 프라이머리 속력보다 낮은 세컨더리 속력으로 동기화 시키는 동기화 방법으로서,
    상기 프라이머리 샤프트 및 세컨더리 샤프트는 분리되어 있고, 상기 프라이머리 샤프트는 상기 프라이머리 속력와 관련된 운동 에너지를 가지며,
    상기 프라이머리 속력이 상기 세컨더리 속력과 동일해질 때까지, 상기 전기 기계는 재생 모드에서 전기적 제동 토오크를 상기 프라이머리 샤프트에 공급하도록 제어되어, 상기 프라이머리 샤프트에 의해 손실된 운동 에너지를 전기적 에너지의 형태로 적어도 부분적으로 회복하고, 에너지 저장 수단에 상기 전기적 에너지를 전송하며,
    상기 에너지 저장 수단은 에너지 버퍼에 연결된 배터리를 포함하며,
    제어 유닛은 상기 프라이머리 샤프트의 제동시에 상기 에너지 버퍼에서 상기 전기적 에너지를 충전하고, 상기 프라이머리 샤프트가 동기화되면 상기 에너지 버퍼를 배터리에 방출하도록 되며,
    상기 제어 유닛은 미리 정의된 낮은 임계치 아래에서 상기 배터리의 충전 레벨의 통과를 검출하고, 상기 배터리의 충전 레벨이 상기 낮은 임계치 아래에서 통과하는 것을 검출하는 경우에 에너지 버퍼에서 미리 정해진 에너지 레벨을 유지하도록 된 것을 특징으로 하는, 동기화 방법.
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