KR102284412B1 - 전기 자동차 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기자동차에 관한 것으로, 본 발명의 일 측면에 따르면, 차량 전방 및 후방의 좌우 바퀴를 각각 개별적으로 회전시키도록 장착된 제1 내지 제4 모터; 제1 내지 제4 모터에 각각 전원을 일대일로 공급하도록, 각각의 모터에 독립적으로 연결된 제1 내지 제4 연료전지 스택 모듈; 제1 내지 제4 모터 및 제1 내지 제4 연료전지 스택 모듈을 제어하기 위한 주제어부; 제1 내지 제4 모터로 전원을 공급하기 위한 배터리 팩; 및 제1 내지 제4 연료전지 스택 모듈로 수소 가스를 공급하기 위한 탱크를 포함하는 전기 자동차가 제공된다.

Description

전기 자동차{Electric Vehicle}
본 발명은 전기 자동차에 관한 것으로, 특히, 연료전지 스택이 탑재된 전기 자동차에 관한 것이다.
최근 세계적인 환경규제 강화 및 에너지 비용 절감 추세에 따라 환경 친화적인 전기자동차(EV: Electric Vehicle)에 대한 요구가 증가 되고 있다.
특히, 전기자동차의 바퀴에 모터가 일체화되어 타이어를 직접 회전시키는 인-휠 모터 시스템(In-Wheel motor system)은 차세대 전기 자동차의 핵심 기술로 주목 받고 있다.
또한, 전기자동차의 모터 및 각종 전장품에 전원을 공급하기 위해 배터리 팩 및/또는 연료전지 스택(fuel cell stack)이 탑재된다.
일반적으로 연료전지(fuel cell)는 연료와 산화제의 전기 화학반응을 통해 전기에너지를 발생시키는 에너지 변환 장치이며, 연료가 계속적으로 공급되는 한 지속적으로 발전이 가능한 장점이 있다.
예를 들어, 고분자 전해질 연료전지는 고분자 물질로 구성된 전해질막을 중심으로 애노드(anode)와 캐소드(cathode)가 각각 도포되어 형성된 전극층을 구비하는 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)를 포함한다. 또한, 연료전지는 반응 가스를 반응 영역 전체에 걸쳐 고르게 분포시키고, 애노드 전극의 산화반응에 의해 발생된 전자를 캐소드 전극 쪽으로 전달하는 역할의 가스 확산층(Gas Diffusion Layer, GDL) 및 반응 가스들을 가스 확산층으로 공급하고, 전기화학반응에 의해 발생된 물을 외부로 배출시키는 분리판(bipolar plate)을 포함한다.
한편, 인-휠 모터 시스템의 경우, 바퀴별로 개별 모터가 독립적으로 구동되기 때문에 동력 손실을 감소시킬 수 있는 장점이 있는 반면에, 배터리 팩 또는 연료전지 스택은 단일 장치로서, 큰 공간을 차지하여 차량 내부 구조 설계에 영향을 미치며, 공간활용의 효율성을 떨어뜨리는 문제를 발생시킨다.
본 발명은 인-휠 모터 시스템에서 각 바퀴에 내장된 구동모터에 개별적으로 전력을 공급할 수 있고, 개별적으로 제어할 수 있는 전기 자동차를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
또한, 본 발명은 병렬형, 분산형 연결 구조를 갖고, 개별 운전 및 개별 제어가 가능한 연료전지 스택 모듈을 탑재한 전기자동차를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 차량 전방 및 후방의 좌우 바퀴를 각각 개별적으로 회전시키도록 장착된 제1 내지 제4 모터; 제1 내지 제4 모터에 각각 전원을 일대일로 공급하도록, 각각의 모터에 독립적으로 연결된 제1 내지 제4 연료전지 스택 모듈; 제1 내지 제4 모터 및 제1 내지 제4 연료전지 스택 모듈을 제어하기 위한 주제어부; 제1 내지 제4 모터로 전원을 공급하기 위한 배터리 팩; 및 제1 내지 제4 연료전지 스택 모듈로 수소 가스를 공급하기 위한 탱크를 포함하는 전기 자동차가 제공된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 일 실시예와 관련된 전기자동차는 다음과 같은 효과를 갖는다.
본 발명은 전기자동차 차체 형상(디자인)의 변화 없이 적용이 가능하다.
또한, 단일 연료전지 스택 구조보다 차체 공간 활용의 효율성이 증대된다.
또한, 전력공급원(연료전지 스택 모듈)과 모터(전기모터) 간 거리를 최소화할 수 있으므로, 전력손실을 최소화할 수 있다.
또한, 복수 개의 연료전지 스택 모듈을 통해, 연료전지 스택 모듈에 인접한 저용량 주변장치에 전력을 공급할 수 있다.
또한, 연료전지 스택 모듈의 소형화로 인해 제어와 응답 특성이 향상된다.
또한, 대용량의 단일의 연료전지 스택 모듈보다 더 높은 에너지 효율을 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 전기자동차의 구성도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예와 관련된 전기자동차의 일부 구성도들이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예와 관련된 전기자동차의 제어계통을 나타내는 구성도이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차를 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 전기자동차의 구성도이고, 도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예와 관련된 전기자동차의 일부 구성도들이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예와 관련된 전기자동차의 제어계통을 나타내는 구성도이다.
본 발명의 일 실시예와 관련된 전기자동차(100)는 차체(101)를 포함한다. 또한, 전기자동차(100)는 차량 전방 및 후방의 좌우 바퀴, 예를 들어 4개의 바퀴(111, 112, 113, 114)를 포함한다.
상기 전기자동차(100)는 구동을 위한 복수 개의 바퀴, 각각의 바퀴를 독립 구동시키기 위해, 해당 바퀴에 일체로 장착되는 복수 개의 모터, 각각의 모터에 전원을 공급하기 위해, 해당 모터에 개별적으로 연결된 복수 개의 연료전지 스택 모듈을 포함한다. 예를 들어, 각각의 바퀴에 모두 모터가 내장된 경우에는, 바퀴, 모터, 연료전지 스택모듈의 개수는 모두 동일할 수 있다. 이와는 다르게, 차량이 전륜 구동 또는 후륜 구동일 경우, 바퀴의 개수보다 모터 및 연료전지 스택모듈의 개수가 작을 수 있다.
일예로, 전기자동차(100)는 차량 전방 및 후방의 좌우 바퀴(111, 112, 113, 114)를 각각 개별적으로 회전시키도록 장착된 제1 내지 제4 모터(121, 122, 123, 124)를 포함한다. 각각의 모터(121, 122, 123, 124)는 대응되는 바퀴에 일체화 되고, 각 바퀴를 개별적으로 구동시킨다.
또한, 전기자동차(100)는 제1 내지 제4 모터(121, 122, 123, 124)에 각각 전원을 일대일로 공급하도록, 각각의 모터(121, 122, 123, 124)에 독립적으로 연결된 제1 내지 제4 연료전지 스택 모듈(131, 132, 133, 134)를 포함한다. 각각의 연료전지 스택 모듈(131, 132, 133, 134)은 동일한 출력 및 크기를 가질 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 전기자동차는 모든 바퀴 측에 전력을 공급하기 위한 단일의 연료전지 스택을 사용하지 않고, 소형, 소용량의 연료전지 스택들을 각각의 바퀴 측에 독립적으로 연결하여, 전력을 공급하는 구조를 갖는다. 또한, 각각의 연료전지 스택 모듈(131, 132, 133, 134)은 병렬적으로 연결되어 있다.
또한, 전기자동차(100)는 제1 내지 제4 모터(121, 122, 123, 124) 및 제1 내지 제4 연료전지 스택 모듈(131, 132, 133, 134)을 제어하기 위한 주제어부(140)를 포함한다.
또한, 전기자동차(100)는 제1 내지 제4 모터로 전원을 공급하기 위한 배터리 팩(160) 및 제1 내지 제4 연료전지 스택 모듈(131, 132, 133, 134)로 수소 가스를 공급하기 위한 탱크(170)를 포함한다.
또한, 전기자동차(100)는 각각의 바퀴 별(111, 112, 113, 114)로 인버터, 모터 제어부, 연료전지 스택 모듈 제어부가 독립적으로 구비될 수 있다. 즉, 주제어부(140)와 별개로, 제1 내지 제4 바퀴 측 각각에는, 인버터(예를 들어, DC/AC 인터버), 모터 제어부, 및 연료전지 스택 모듈 제어부가 독립적으로 구비된다.
예를 들어, 도 2 및 도 3을 참조하면, 제1 모터(121) 측에는 제1 모터(121)와 전기적으로 연결된 제1 인버터, 제1 모터(121)를 개별적으로 제어하기 위한 제1 모터 제어부(141), 및 제1 연료전지 스택 모듈(131)을 개별적으로 제어하기 위한 제1 연료전지 스택 모듈 제어부(도시되지 않음)가 마련될 수 있다.
이때, 주제어부(140)는 각각의 모터 제어부(예를 들어, 141) 및 연료전지 스택 모듈 제어부를 통합 제어하도록 마련될 수 있다. 구체적으로, 각각의 모터 제어부 및 연료전지 스택 모듈 제어부는, 주제어부(140)와 동기화되도록 마련될 수 있다.
각각의 연료전지 스택 모듈 별로 독립적인 제어부가 마련됨에 따라, 각 연료전지 스택 모듈별 작동온도, 기체유량 등의 제어가 용이해지고, 연료전지를 구성하는 주변 장치(Auxiliary units)의 소형화가 가능해진다.
한편, 인버터(141)는 연료전지 스택 모듈(131) 또는 배터리 팩(160)에서 전달된 DC 전력을 모터 제어기로부터 온 신호을 받아 조절하여 모터에 전달하는 기능을 수행한다.
각각의 모터(120: 121, 122, 123, 124)에는 연료전지 스택 모듈(130: 131, 132, 133, 134)로부터 주전원이 공급되고, 배터리 팩(160)으로부터 선택적으로 전원이 공급되도록 마련될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예와 관련된 전기자동차(100)는 연료전기 스택 모듈(130: 131, 132, 133, 134)과 배터리팩(160)의 하이브리드 파워 공급 시스템에 의해 구동될 수 있다. 예를 들어, 배터리 팩(160)은 빠른 부하 응답이 필요한 경우 또는 피크 전원의 공급이 요구될 때, 각각의 모터로 전원을 공급하도록 마련될 수 있다.
구체적으로, 연료전지 스택모듈(130)은 각 바퀴에 동력을 공급하는 주전원으로 사용되고, 배터리 팩(160)은 피크 파워(peak power) 또는 스타트-업(start-up)시와 같은 빠른 부하 응답 특성이 필요한 때에만 사용되어 전체적인 전력공급의 효율성을 높일 수 있다.
도 4를 참조하면, 주제어부(140)는 연료전지 스택 모듈(130) 및 배터리 팩(160)의 하이브리드 사용 정도를 결정하고, 컨버터(161)에 전달되는 신호로 제어하며, 주제어부(140)는 모터를 제어하기 위한 토크(Torque)를 결정하고 제어신호를 전달할 수 있다.
또한, 배터리 팩(160)은 모터의 구동에 사용되는 고전압 배터리 및 주변 장치에 전원을 공급하기 위한 저전압 배터리를 포함할 수 있다.
또한, 배터리 팩(160)의 충전량이 소정 값 이하로 낮아지면, 연료전지 스택 모듈(130)에 의해 배터리 팩(160)의 충전이 이루어질 수 있다.
또한, 배터리 팩(160)의 충전량이 소정 값 이하로 낮아지면, 동적 부하(L)에 따라 각각의 모터(120)의 회생 제동(regenerative braking)에 의해 배터리 팩(160)의 충전이 이루어질 수 있다.
위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
100: 전기자동차
101: 차체
111, 112, 113, 114: 바퀴
120, 121, 122, 123, 124: 모터
130, 131, 132, 133, 134: 연료전지 스택모듈
140: 주제어부
160: 배터리 팩
170: 탱크

Claims (8)

  1. 차량 전방 및 후방의 좌우 바퀴를 각각 개별적으로 회전시키도록 장착된 제1 내지 제4 모터;
    제1 내지 제4 모터에 각각 전원을 일대일로 공급하도록, 각각의 모터에 독립적으로 연결된 제1 내지 제4 연료전지 스택 모듈;
    제1 내지 제4 모터 및 제1 내지 제4 연료전지 스택 모듈을 제어하기 위한 주제어부;
    제1 내지 제4 모터로 전원을 공급하기 위한 배터리 팩; 및
    제1 내지 제4 연료전지 스택 모듈로 수소 가스를 공급하기 위한 탱크를 포함하며,
    각각의 모터에는 연료전지 스택 모듈로부터 주전원이 공급되고, 배터리 팩으로부터 선택적으로 전원이 공급되며,
    배터리 팩은 빠른 부하 응답이 필요한 경우 또는 피크 전원의 공급이 요구될 때에만, 각각의 모터로 전원을 공급하도록 마련되고,
    각각의 바퀴 별로 인버터, 모터 제어부, 연료전지 스택 모듈 제어부가 독립적으로 구비되며,
    주제어부는 각각의 모터 제어부 및 연료전지 스택 모듈 제어부를 통합 제어하도록 마련되고,
    각각의 모터 제어부 및 연료전지 스택 모듈 제어부는, 주제어부와 동기화되도록 마련되며,
    주제어부는 연료전지 스택 모듈 및 배터리 팩의 하이브리드 사용 정도를 결정하고, 주제어부는 모터를 제어하기 위한 토크를 결정하고 제어신호를 전달하는 전기 자동차.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    배터리 팩은 모터의 구동에 사용되는 고전압 배터리 및 주변 장치에 전원을 공급하기 위한 저전압 배터리를 포함하는 전기 자동차.
  7. 제 1 항에 있어서,
    배터리 팩의 충전량이 소정 값 이하로 낮아지면, 연료전지 스택 모듈에 의해 배터리 팩의 충전이 이루어지는 전기 자동차.
  8. 제 1 항에 있어서,
    배터리 팩의 충전량이 소정 값 이하로 낮아지면, 각각의 모터의 회생 제동에 의해 배터리 팩의 충전이 이루어지는 전기 자동차.
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