KR102413240B1 - 무단변속기 및 ipmsm를 이용한 전기 오토바이용 동력전달장치 - Google Patents

무단변속기 및 ipmsm를 이용한 전기 오토바이용 동력전달장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 주행 속도에 따라 변속 가능한 무단 변속기, 전기 오토바이의 가속 시 배터리의 전력에 의해 구동하여 상기 전기 오토바이가 주행하도록 하고, 상기 전기 오토바이의 감속 시 전기 에너지를 생성하는 발전기로서 동작하는 전동모터, 배터리의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 상기 전동모터를 구동시키고, 상기 전기 오토바이의 감속 시 상기 전동모터로부터 생성되는 전기에너지의 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 배터리를 충전시키는 인버터, 상기 전기 오토바이의 가속 및 감속 시 상기 무단변속기의 기어비를 제어하는 제어유닛 및 유체의 유압에 의해 상기 무단변속기의 구동풀리 및 종동풀리의 위치를 조정하여 벨트의 회전 반경을 변화시키는 유압제어장치를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

무단변속기 및 IPMSM를 이용한 전기 오토바이용 동력전달장치 {power transmission device for motor scooter using continously variable transmission and IPMSM}
본 발명은 무단변속기 및 IPMSM를 이용한 전기 오토바이용 동력전달장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 무단변속기를 통해 동력전달이 이루어지며, 전기 오토바이 감속 시 회생 제동을 통해 전기 에너지를 생성할 수 있는 무단변속기 및 IPMSM를 이용한 전기 오토바이용 동력전달장치에 관한 것이다.
최근들어, 근거리 이동, 배달 및 여가용으로 사용되는 전기 오토바이의 사용이 증가하고 있다. 전기 오토바이는 일반 오토바이에 비해 배출가스가 없고, 소음이 적으며, 유지비용이 저렴하다는 이점이 있다.
전기 오토바이는 배터리의 전력을 이용하여 모터를 구동함으로써, 주행할 수 있도록 고안되어 있다. 전기 오토바이의 모터는 주행시에는 회전력을 발생시키는 모터로서 동작하지만, 전기 오토바이의 감속 시에는 발전기로서 동작하여 운동에너지를 전기에너지로 회수할 수 있다.
대한민국 등록특허 제10-0938380호에는 모터와 구동륜 간의 동력전달이 경량화된 구조의 무단변속기를 통해 이루어지도록 하고, 별도의 제어수단 없이 운행 속도에 따라 선택적으로 발전이 이루어지도록 하여, 에너지 효율 및 주행성능이 향상된 전동 스쿠터가 개시되어 있다.
그러나, 종래의 기술은 전동 스쿠터의 전륜에 발전 수단을 내장함으로써, 전륜의 구조가 복잡해지고, 고속 주행 시에만 발전이 이루어져 발전의 효율이 떨어지는 문제점이 있었다.
KR 100938380 B1 전동 스쿠터 KR1020180130243 A 하이브리드 차량의 회생제동 제어장치 및 그 방법
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 고안된 것으로서, 무단변속기를 통해 동력전달이 이루어지며, 전기 오토바이 감속 시 회생 제동을 통해 전기 에너지를 생성할 수 있는 무단변속기 및 IPMSM를 이용한 전기 오토바이용 동력전달장치를 제공한다.
상기의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 무단변속기 및 IPMSM를 이용한 전기 오토바이용 동력전달장치는 주행 속도에 따라 변속 가능한 무단 변속기, 전기 오토바이의 가속 시 배터리의 전력에 의해 구동하여 상기 전기 오토바이가 주행하도록 하고, 상기 전기 오토바이의 감속 시 전기 에너지를 생성하는 발전기로서 동작하는 전동모터, 배터리의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 상기 전동모터를 구동시키고, 상기 전기 오토바이의 감속 시 상기 전동모터로부터 생성되는 전기에너지의 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 배터리를 충전시키는 인버터, 상기 전기 오토바이의 가속 및 감속 시 상기 무단변속기의 기어비를 제어하는 제어유닛 및 유체의 유압에 의해 상기 무단변속기의 구동풀리 및 종동풀리의 위치를 조정하여 벨트의 회전 반경을 변화시킴으로써 변속비를 조절하는 유압제어장치를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 무단변속기 및 IPMSM를 이용한 전기 오토바이용 동력전달장치는 회생 제동을 통해 전기 오토바이의 주행 거리를 연장시켜 전기 오토바이의 연비를 개선시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무단변속기 및 IPMSM을 이용한 전기 오토바이용 동력전달장치의 구성을 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 동력전달장치에서 정속 주행 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 동력전달장치에서 가속 주행 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 동력전달장치에서 감속 주행 과정을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
그러나, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 일 예에 불과한 것으로 이에 의해 본 발명의 권리범위가 축소되거나 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무단변속기 및 IPMSM을 이용한 전기 오토바이용 동력전달장치의 구성을 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 무단변속기 및 IPMSM을 이용한 전기 오토바이용 동력전달장치는 무단 변속기, 전동모터, 인버터, 제어유닛 및 유압제어장치를 포함하여 구성된다.
상기 무단 변속기는 주행 속도에 따라 연속으로 변속할 수 있다. 상기 전동모터는 전기 오토바이의 가속 시 배터리의 전력에 의해 구동하여 상기 전기 오토바이가 주행하도록 하고, 상기 전기 오토바이의 감속 시 전기 에너지를 생성하는 발전기로서 동작한다.
상기 인버터는 배터리의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 상기 전동모터를 구동시키고, 상기 전기 오토바이의 감속 시 상기 전동모터로부터 생성되는 전기에너지의 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 배터리를 충전시킬 수 있다.
상기 제어유닛은 상기 인버터를 제어할 수 있다.
상기 유압제어장치는 유체의 유압에 의해 상기 무단변속기의 구동풀리 및 종동풀리의 위치를 조정하여 V벨트의 회전 반경을 변화시킬 수 있다.
상기 무단변속기는 상기 전동모터에 구통축을 통해 연결되어 구동축의 축방향으로 이동 가능하게 설치된 구동풀리, 후륜에 종동축을 통해 연결되어 종동축의 축방향으로 이동 가능하게 설치되는 종동풀리, 구동풀리 및 종동풀리에 연결되어 회전력을 전달하는 V벨트를 포함하여 구성된다.
상기 구동풀리는 구동축에 고정 설치된 고정구동풀리와, 구동축의 축방향으로 이동 가능하게 설치된 이동구동풀리를 포함하여 구성된다.
상기 종동풀리는 종동축에 고정 설치된 고정종동풀리 및 종동축의 축방향으로 이동 가능하게 설치된 종동구동풀리를 포함하여 구성된다.
다음으로, 본 발명에 의한 동력전달장치에서 유압제어장치에 대해 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 유압제어장치는 유압펌프, 비례제어밸브, 릴리프밸브, CVT제어유닛, 구동풀리압력제어밸브 및 종동풀리압력제어밸브를 포함하여 구성된다.
상기 상기 유압펌프는 비례제어밸브 및 릴리프밸브에 유체를 공급하게 된다.
상기 비례제어밸브는 상기 유압펌프에서 공급받은 유체를 라인압으로 조정하여, 상기 구동풀리압력제어밸브 및 상기 종동풀리압력제어밸브에 유체를 공급하게 된다.
상기 릴리프밸브는 상기 유압펌프에서 공급받은 유체를 파일럿압으로 조정하는 역할을 한다.
상기 CVT제어유닛은 상기 릴리프밸브를 제어하고, 공급된 파일럿압을 신호압으로 조정하여 구동풀리압력제어밸브 및 종동풀리압력제어밸브에 공급한다.
상기 구동풀리압력제어밸브는 공급된 신호압을 기초로 하여 라인압을 압력 조정하고, 이동구동풀리에 유압을 공급하여 상기 이동구동풀리를 이동시킨다.
상기 종동풀리압력제어밸브는 공급된 신호압을 기초로 하여 라인압을 압력 조정하고, 종동구동풀리에 유압을 공급하여 상기 종동구동풀리를 이동시킨다.
이러한 구성으로 이루어진 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 가속에 의한 전기 오토바이의 주행 과정은 다음과 같다.
도 3을 참고하면, 배터리의 전원이 공급되면, 인버터는 배터리의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 전동모터에 공급한다. 이 때, 제어유닛는 설정되는 속도에 따라 무단변속기의 구동풀리 및 종동풀리의 홈 폭을 결정한다. 전동모터가 구동하면, 전동모터의 구동축에 설치된 구동풀리가 회전하여, 구동풀리에 V벨트로 연결된 종동풀리를 회전시키게 되고, 이어서 종동풀리의 회전은 종동축에 전달됨으로써 구동륜인 후륜이 회전하여 전기 오토바이를 주행시키게 된다.
전기 오토바이가 가속되는 경우, 구동풀리의 고정구동풀리와 이동구동풀리 사이의 간격은 좁아지고, 종동풀리의 고정종동풀리와 이동종동풀리 사이의 간격은 넓어진다. 따라서, 구동풀리의 유효 반경은 증가하고, 종동풀리의 유효 반경이 감소하게 된다. 구동풀리의 유효 반경과 종동풀리의 유효 반경의 비가 n:1이라고 하면, 구동풀리의 회전수와 종동풀리의 회전수의 비는 1:n이 되어, 구동풀리의 회전수가 서서히 증가하면, 종동풀리의 회전수는 구동풀리의 회전수의 n배로 증가하여, 전기 오토바이가 가속 주행하게 된다.
다음으로, 전기 오토바이의 감속에 의한 전기 오토바이의 발전 과정은 다음과 같다.
오토바이가 감속되는 경우, 배터리의 전원이 차단되고, 관성에 의해 회전 중인 후륜이 전동모터를 구동하게 되어, 전동모터를 발전기로 동작시키게 된다.
후륜이 회전하면, 후륜과 연결된 종동축에 설치된 종동풀리가 회전하여, 종동풀리와 V벨트로 연결된 구동풀리를 회전시키게 되고, 이어서 구동풀리의 회전은 구동축에 전달됨으로써, 전동모터가 회전하여 전동모터가 발전기로 동작하게 된다.
이 때, 제어유닛는 무단변속기의 기어비를 설정하여, 최적의 기어비로 무단변속기가 동작할 수 있도록 제어할 수 있다. 여기서, 기어비는 구동풀리의 회전수를 종동풀리의 회전수로 나눈 값이다.
도 4를 참조하면, 오토바이가 감속되는 경우, 구동풀리의 고정구동풀리와 이동구동풀리 사이의 간격은 넓어지고, 종동풀리의 고정종동풀리와 이동종동풀리 사이의 간격은 좁아진다. 따라서, 구동풀리의 유효 반경은 감소하고, 종동풀리의 유효 반경은 증가하게 된다. 구동풀리의 유효 반경과 종동풀리의 유효 반경의 비가 1:n이라고 하면, 구동풀리의 회전수와 종동풀리의 회전수의 비는 n:1가 된다. 다시 말해서, 종동풀리가 1회 회전하는 경우, 구동풀리는 n회 회전하게 된다.
구동풀리가 회전하면, 구동풀리와 구동축으로 연결된 전동모터도 같이 회전하게 되어, 전력을 발생시킬 수 있는 것이다.
발전기로 동작하는 전동모터에 의해 생산되는 전력은 배터리에 저장되어, 전기 오토바이의 동력원으로 활용될 수 있다.
10: 배터리 20: 전동모터
30: 인버터 60: 속도감지센서
70: 변위감지센서 100: 무단변속기
110: 구동풀리 111: 고정구동풀리
112: 이동구동풀리 120: 종동풀리
121: 고정종동풀리 122: 이동종동풀리
130: V벨트 140: 구동축
150: 종동축 200: 제어유닛
300: 유압제어장치 310: 유압펌프
320: 비례제어밸브 330: 릴리프밸브
340: CVT제어유닛 350: 오일탱크
361: 구동풀리압력제어밸브 362: 종동풀리압력제어밸브

Claims (6)

  1. 주행 속도에 따라 변속 가능한 무단변속기;
    배터리의 전력에 의해 구동하여 전기 오토바이가 주행하도록 하고, 상기 전기 오토바이의 감속 및 제동 시 전기 에너지를 생성하는 발전기로서 동작하는 전동모터;
    상기 배터리의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 상기 전동모터를 구동시키고, 상기 전기 오토바이의 감속 및 제동 시 상기 전동모터로부터 생성되는 전기에너지의 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 상기 배터리를 충전시키는 인버터;
    상기 인버터를 제어하는 제어유닛; 및
    유압에 의해 상기 무단변속기의 구동풀리 및 종동풀리의 위치를 조정하여 V벨트의 회전 반경을 변화시키는 유압제어장치;를 포함하고,
    상기 무단변속기는
    상기 전동모터에 구동축을 통해 연결되어 상기 구동축의 축방향으로 이동 가능하게 설치된 구동풀리;
    후륜에 종동축을 통해 연결되어 상기 종동축의 축방향으로 이동 가능하게 설치된 종동풀리; 및
    상기 구동풀리 및 상기 종동풀리에 연결되어 회전력을 전달하는 V벨트;를 포함하고,
    상기 구동풀리는
    상기 구동축에 고정 설치된 고정구동풀리; 및
    상기 구동축의 축방향으로 이동 가능하게 설치된 이동구동풀리;를 포함하고,
    상기 종동풀리는
    상기 종동축에 고정 설치된 고정종동풀리; 및
    상기 종동축의 축방향으로 이동 가능하게 설치된 종동구동풀리;를 포함하고,
    상기 전동모터는
    영구자석을 회전자에 매입시킨 매입형 영구자석 동기 전동기(IPMSM: Interior Permanent Magnet Synchronous Motor)이고,
    상기 유압제어장치는
    비례제어밸브 및 릴리프밸브에 유체를 공급하는 유압펌프;
    상기 유압펌프에서 공급받은 유체를 라인압으로 조정하여, 구동풀리압력제어밸브 및 종동풀리압력제어밸브에 유체를 공급하는 비례제어밸브;
    상기 유압펌프에서 공급받은 유체를 파일럿압으로 조정하는 릴리프밸브;
    상기 릴리프밸브를 제어하고, 공급된 파일럿압을 신호압으로 조정하여 구동풀리압력제어밸브 및 종동풀리압력제어밸브에 공급하는 CVT제어유닛;
    공급된 신호압을 기초로 하여 라인압을 압력 조정하고, 이동구동풀리에 유압을 공급하여 이동시키는 구동풀리압력제어밸브; 및
    공급된 신호압을 기초로 하여 라인압을 압력 조정하고, 종동구동풀리에 유압을 공급하여 이동시키는 종동풀리압력제어밸브;를 포함하고,
    상기 제어유닛은
    전기 오토바이 감속 시, 상기 무단변속기의 기어비를 설정하여, 최적의 기어비로 무단변속기가 동작할 수 있도록 제어하고,
    상기 기어비는
    상기 구동풀리의 회전수를 상기 종동풀리의 회전수로 나눈 값이고,
    상기 구동풀리에서는
    상기 전기 오토바이 감속 시, 상기 고정구동풀리 및 이동구동풀리 사이의 간격이 넓어져서, 상기 구동풀리의 유효 반경이 감소하고,
    상기 종동 풀리에서는
    상기 전기 오토바이 감속 시, 상기 고정종동풀리 및 이동종동풀리 사이의 간격이 좁아져서, 상기 종동풀리의 유효 반경은 증가하고,
    상기 전동모터는
    상기 전기 오토바이 감속 시,
    상기 종동풀리가 1회 회전 시, 상기 구동풀리에 의해 상기 종동풀리보다 n배의 속도로 더 빠르게 회전하여, 전력을 발생시키는 것을 특징으로 하는 무단변속기 및 IPMSM를 이용한 전기 오토바이용 동력전달장치.

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