KR19980071287A - 차량의 전기 에너지 공급 시스템 - Google Patents

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KR19980071287A
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가즈히꼬 시노하라
마사까즈 고바야시
겐지 후루야
게이꼬 구시비끼
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하나와 기이찌
닛산 지도샤 가부시끼가이샤
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Abstract

차량용 전기 에너지 공급 시스템은 동력 에너지 및 배기 에너지를 이용하여 전력을 발생시키기 위한 출력축 발전 유닛 및 배기 발전 유닛을 포함한다. 상기 시스템에는 축전지, 차량의 운행 상태를 판별하기 위한 운행 상태 판별 유닛, 축전지의 축전 상태를 판별하기 위한 축전 상태 판별 유닛 및 차량에 사용될 전기 에너지의 공급량을 제어하기 위한 전력 제어 유닛이 마련된다. 전력 제어 유닛의 제어 하에서 출력축 발전 유닛과 배기 발전 유닛에 의해 각각 발생된 전력량은 운행 상태 판별 유닛과 축전 상태 판별 유닛으로부터의 정보에 따라 제어된다. 이는 차량의 튜닝 모드에 따라 엔진으로부터 방출된 에너지를 회수하여 연료 소비를 줄일 수 있게 해준다.

Description

차량의 전기 에너지 공급 시스템
본 발명은 내연기관 등의 구동원이 장착되어 있는 차량의 전기 에너지 공급 시스템에 관한 것으로, 특히 자동차의 내연기관으로부터 배출된 배기 에너지 또는 이와 유사한 것을 효과적으로 사용할 수 있게 해주어서 엔진에 사용되는 연료의 양을 줄이고 에너지 효율을 개선할 수 있게 해주는 전기 에너지 공급 시스템에 관한 것이다.
교류 발전기는 차량에 장착되어 차량의 전기 부하에 전력을 공급하고 동력원으로서의 엔진의 출력축을 사용하여 축전 상태에 따라 축전지를 충전한다. 교류 발전기의 출력은 로터의 회전 속도 및 전력 요구량에 좌우된다. 따라서, 전력은 전력 요구량이 차량의 가속 시에도 증가하면 발생되고, 이로써 엔진의 출력축으로부터의 구동력이 필요해지게 된다. 이는 또한, 차량의 가속에 필요한 부하 에너지를 증가시킨다. 차량의 감속 시에는 약간의 전력 사용 상태 하에서 전력이 거의 발생하지 않고, 차량의 운동 에너지가 제동 가열과 엔진의 펌핑 손실 등으로서 분산된다.
근래에 차량에서의 전력 요구량은 앤티브레이크 시스템(ABS), 4륜 구동 시스템(4WS), 트랙션 제어 시스템(TRC) 및 파워 스트어링 시스템(PS) 등의 전기 사용 설비가 부가됨으로써 증가되고 있다. 증가된 요구량에 맞게 충분한 전력을 공급하기 위하여 교류 발전기의 용량이 증가되는 추세에 있으나, 교류 발전기의 효율은 최대 약 50 % 정도이다.
일반적으로, 엔진의 출력축으로부터 취할 수 있는 에너지는 가솔린 연소식 엔진을 갖는 자동차의 연료에 포함된 에너지의 약 30 % 정도이다. 차량의 정상 주행에 필요한 에너지는 상기와 유사한 약 25 % 정도이다. 이와는 대조적으로, 최대 전력 발생을 얻는 데 예를 들어 1 kW의 발전 용량을 갖는 교류 발전기를 사용하면 차량의 주행에 사용될 에너지의 2 내지 3 kW가 교류 발전기의 발전에 의해 소비된다. 이는 가솔린 연료에 포함된 에너지의 약 6 내지 9 %에 해당된다. 따라서, 최대 발전 시의 연료의 경제성이 19 내지 26 %로 감소된다.
이러한 차량에서 전력 공급을 개선하기 위하여, 종래의 교류 발전기 이외에 부가적으로 사용되고 에너지 공급원으로서 엔진의 출력축을 사용하지 않는 전력 공급원 또는 이에 의해서 얻어진 전력을 제어하는 방식이 일본 공개 특허 (소)61-254082호, (소)63-262075호 및 (평)5-111101호에 개시되어 있다. 물론, 이들 일본 공개 특허 (소)61-254082호, (소)63-262075호에 개시된 전력 공급원은 내연기관으로부터 배출된 배기의 열 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 배기열 발전 장치를 사용한다. 이 배기열 발전 장치는 배기에 접촉한 흡열 섹션, 공기 또는 액체에 접촉한 냉각 섹션, 흡열 섹션과 냉각 섹션 사이에 개재되어 온도차에 기인하여 열 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 열전 변환 소자를 포함한다.
또한, 상기 일본 공개 특허 (평)5-111101호에 개시된 전력 공급원 및 전력 제어 방법은 상기 방법으로 엔진으로부터의 배기열 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 열전 변환 수단 외에 태양 에너지를 전기 에너지로 변환시키기 위한 태양 발전 수단도 갖추고 있다. 차량의 주행 및 공회전 시에, 엔진으로부터의 배기열 에너지는 열전 변환 수단을 사용하여 축전지에 저장되는 전기 에너지로 변환된다. 차량이 외부에 위치하여 있으면, 태양 에너지가 태양 에너지 발생 수단을 사용하여 축전지에 저장될 전기 에너지로 변환된다. 저장된 에너지는 보조 전기 설비부 및 악세사리 등을 구동시키기 위한 에너지로 사용된다.
상기에 설명한 배기열 발전 장치를 채용함으로써 연료의 경제성을 이론적으로는 개선할 수 있다. 그러나, 발전량이 약 100 W 정도이기 때문에 배기열 발전 장치만으로는 차량의 전력 요구량을 만족시킬 수 없다.
또한, 교류 발전기 이외의 전력 공급원 즉, 배기열을 사용하는 열전 변환 수단과 태양광을 사용하는 태양광 발전 장치 등에 의해서 얻어진 전력을 구동 악세사리 등의 에너지로만 사용하기 때문에 연료 소비의 감소도 약 5 % 정도로 작다. 따라서, 종래의 기술은 연료의 경제성을 개선하는 데 비효율적이고 실용적이지 못하다.
상기 종래의 기술을 감안하여, 다양한 전력 발생원으로부터 얻어진 발생 전력량을 차량의 운행 상태 및 축전지의 축전 상태에 따라 제어함으로써 모든 차량 구동 모드에서의 연료 소비를 줄일 수 있게 해주는 차량용 전기 에너지 공급 시스템이 필요하다.
이러한 필요성 및 기타 다른 필요성들은 차량을 구동하기 위한 구동원으로부터 취할 수 있는 여러 상이한 에너지들을 사용함으로써 전기 에너지를 발생시키는 복수개의 발전기를 포함하는 차량용 전기 에너지 공급 시스템을 마련하는 본 발명에 의해 충족된다. 축전 장치는 전기 에너지를 저장하기 위해 마련된다. 운행 상태 판별 수단은 차량의 운행 상태를 판별하고, 축전 상태 판별 수단은 축전 수단 내의 축전 상태를 판별한다. 전력 제어 수단은 차량에 사용될 전기 에너지의 공급량을 제어한다. 제어 수단은 복수개의 전력 발생원 각각에 의해 발생된 전력의 양을 운행 상태 판별 수단 및 축전 상태 판별 수단으로부터 얻어진 정보에 따라 제어하는 작용을 한다.
본 발명의 특정 실시예에서, 구동원은 내연기관을 포함하며, 발전기는 내연기관으로부터 얻어진 동력 에너지를 사용하여 전력을 발생시키는 출력축 발전기와, 내연기관의 배기열을 사용하여 전력을 발생시키는 배기열 발전기를 포함한다.
본 발명의 특정 실시예에서, 배기열 발전기는 내연기관으로부터 배출된 배기의 열 에너지를 이용하여 전력을 발생시키는 열전 발전기를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 배기열 발전기는 내연기관으로부터 배출된 배기의 운동 에너지를 이용하여 전력을 발생시키는 터빈 발전기를 포함한다.
또한, 본 발명의 특정 실시예에 따른 차량용 전기 에너지 공급 시스템에서, 전력 제어 수단은 전력을 발생시키고 이렇게 발생된 전기 에너지를 판별 수단에 의해 차량이 운행 상태에 있는 것으로 검출되었을 때 축전 수단 및 차량 내의 전력 부하에 공급하는 주 발전원으로서 배기열 발전 수단을 작동시키는 작용을 한다.
본 발명의 특정 실시예에서, 전력 제어 수단은 전력을 발생시켜 이렇게 발생된 전기 에너지를 운행 상태 판별 수단이 가속 상태를 검출할 때 축전 수단 및 차량 내의 전력 부하에 공급하는 주 발전원으로서 출력축 발전 수단을 작동시키는 작용을 한다.
본 발명의 특정 실시예에서, 배기열 발전기의 발전 능력을 검출하는 검출 수단이 마련되며, 이 수단에서 전력 제어 수단은 검출 수단에 의해 검출된 발전 능력이 소정 수준보다 높지 않으면 주 발전원으로서 출력축 발전기를 작동시키는 작용을 한다.
본 발명의 한가지 장점은 복수개의 발전기 각각에 의해 발생된 전력량을 차량의 운행 상태 및 축전지의 축전 상태에 따라 제어함으로써 차량의 구동원으로부터 배출된 에너지를 폐기하지 않고 회수하여 전기 에너지로서 효과적으로 사용할 수 있다는 것이다.
또 다른 장점은 내연기관으로부터 얻어진 배기의 운동 에너지를 차량의 주행 모드 및 축전 수단의 축전 상태에 따라 효과적으로 회수하여 전기 에너지로서 사용할 수 있다는 것이다. 또한, 내연기관에서 소비되는 연료를 줄일 수 있어서 연료의 경제성을 개선할 수 있다.
또한, 내연기관으로부터 배출된 배기의 열 에너지를 본 발명의 특정 실시예의 비교적 간단한 구조로 회수할 수 있어서 연료의 경제성 및 실용화를 개선할 수 있다.
차량용 전기 에너지 공급 시스템의 특정 실시예에 따르면, 내연기관으로부터 배출된 배기의 운동 에너지를 사용하는 터빈 발전기가 사용되기 때문에 배출될 에너지를 효과적으로 회수할 수 있어서 엔진 속도가 높고 배기의 속도가 높으면 배기가 비교적 낮은 온도로 배출되더라도 연료의 경제성을 개선한다. 이는 엔진 시동 직후에 배기의 온도가 낮은 상태의 주행 모드 하에서 특히 장점을 갖는다.
본 발명의 특정 실시예에서, 차량이 가속 상태에 있으면 엔진으로부터의 배출 에너지가 회수되어 배기열 발전기에 의해 전기 에너지로 변환된다. 이렇게 변환된 전기 에너지는 축전 수단에 공급되거나 차량의 전기 부하에 사용된다. 다시 말해서, 차량의 가속 시에 배기에 포함된 에너지의 양이 크기 때문에 차량에 필요한 전력은 배기 발전기에 의해 방금 발생된 전력에 의해 충분히 충족된다. 따라서, 내연기관의 출력축을 필요로 하는 출력축 발전기의 작동을 통해서 전력을 발생시키는 것이 불필요하다. 본 발명에서 마련된 상승 효과에 의해서 연료 소비가 감소되고 이로써 연료의 경제성이 개선된다. 특히, 종래의 교류 발전기에 의해 사용된 에너지는 연료에 포함된 에너지의 약 6 내지 9 %이다. 본 발명에 의하면, 교류 발전기가 작동되지 않는 상태에서 연료의 경제성이 최대 19 내지 26 % 개선된다.
특정 실시예에 따른 차량용 전기 에너지 공급 시스템에 따르면, 차량이 감속 상태에 있을 때 내연기관의 출력축 운동 에너지가 출력축 발전기에 의해 회수되어 전기 에너지로 변환된다. 이렇게 변환된 전기 에너지는 저기 저장 수단에 공급되거나 차량의 부하에 사용된다. 다시 말해서, 차량의 감속 시에는 배기에 포함된 에너지의 양이 극도로 감소되기 때문에 배기열 발전기만에 의한 발전 하에서는 에너지를 충분히 회수할 수 없다. 그러나, 본 발명에서는 엔진 브레이크 또는 브레이크 페달의 작동에 의한 마찰열로서 방출되는 차량 운동 에너지를 전기 에너지로서 회수한다.
본 발명의 특정 실시예에 따르면, 예를 들어 배기 발전기의 비정상 또는 열화 등이 일어났을 때 주 전력 발생원으로서 출력축 발전기를 작동시킴으로써 전력 발생을 얻을 수 있다. 이는 차량에 필요한 전력을 안정적으로 공급할 수 있게 해주어서 전기 에너지 공급 시스템의 신뢰성을 개선한다.
상기에 설명한 특징과 본 발명의 다른 특징 및 장점에 대해서는 첨부 도면을 참조하여 이루어지는 이후의 상세한 설명으로부터 명확하게 이해할 수 있다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 전기 에너지 공급 시스템의 블럭도.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 전기 에너지 공급 시스템의 일부를 형성하는 열전 발전기의 외부 사시도.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 전기 에너지 공급 시스템의 일부를 형성하는 열전 발전기의 발전 특성을 도시한 그래프.
도4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 차량의 전기 에너지 공급 시스템의 일부를 형성하는 터빈 발전기의 개략도.
＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞
1: 출력축 발전 유닛
2: 배기 발전 유닛
3: 전력 제어 유닛
4: 운행 상태 판별 유닛
5: 축전 상태 판별 유닛
6: 축전지
7: 부하
11: 고온측 기부판
12: 저온측 기부판
13: 열전 변환 소자
14, 15: 전극
16: 리드선
도1은 본 발명에 따른 차량용 전기 에너지 공급 시스템의 전체적인 배열을 도시한 블럭도이다. 이 공급 시스템은 기어 또는 벨트 등을 통해서 엔진의 출력축에 구동식으로 연결된 발전기로서 작용하는 출력축 발전 유닛(1)을 포함한다. 배기 발전 유닛(2)은 엔진의 배기 에너지로부터 전기 에너지를 취하는 발전기로서 작용한다. 운행 상태 판별 유닛(4)은 차량의 운행 상태 판별 수단으로서 작용한다. 전력 제어 유닛(3)은 각각의 발전 수단에 의해 발생된 전력을 차량에 사용될 전력량에 따라 그리고 축전지의 축전량을 판별하는 축전 상태 판별 수단으로서 작용하는 축전 상태 판별 유닛(5)으로부터 얻어진 정보에 기초하여 제어하는 전력 제어 수단으로서 작용한다. 축전지(6)는 각각의 발전 수단으로부터 얻어진 전력을 축적할 수 있는 전기 에너지 저장 수단으로서 작용한다.
특정 실시예에서, 교류 발전기는 발전 수단 중 하나로 작용하는 출력축 발전 유닛의 일례로 사용된다. 이 교류 발전기(1)는 자체 전류 제한 특성을 가지며, 여기서 이의 최대 출력 전류는 교류 발전기가 연소하지 않는 범위 내에 있도록 되어 있어서 전류 제한 조정기를 마련할 필요가 없다. 그러나, 교류 발전기에 의해 얻어진 전류는 교류이므로 이 전류를 차량에 사용할 수 있는 전력으로 변환시키기 위해서는 정전압을 얻도록 전류를 정류할 필요가 있다. 이러한 관점에서 전압 조정기가 교류 발전기에 일체로 되어 있으나, 이 기능을 전력 제어 유닛(3)에 합체시킬 수도 있다. 교류 발전기(1)는 이의 도입 전류를 제어함으로써 발전량을 제어할 수 있도록 되어 있다.
출력축 발전 수단으로서 작용하는 출력축 발전 유닛(1)은 상기 교류 발전기에 제한되지는 않는다. 예를 들어, 다른 실시예에서 상기 발전 유닛은 별도로 배치되어 엔진의 출력축으로부터 얻어진 동력 에너지를 사용하여 전력을 발생시키도록 구성된 유도 발전기로 되어 있다. 출력축 발전 유닛(1)은 교류 발전기 및 유도 발전기를 조합한 단일 유닛으로 될 수도 있다.
특정 실시예에서, 발전기 중 하나로 작용하는 배기 발전 유닛(2)은 터빈 발전기(2a)이다. 터빈 발전기(2a: 도4)는 엔진의 배기관에 설치되어 엔진의 배기의 운동 에너지에 의해 터빈을 회전시키도록 구성되어 있다. 다른 실시예에서, 배기 발전 유닛(2)은 복수개의 열전 변환 소자 쌍을 포함하고 고온 공급원과 저온 공급원 사이의 온도차에 기인하여 시벡(Seebeck) 효과를 이용하여 전력을 발생하도록 구성되어 있다. 배기의 열 에너지는 고온 공급원으로서 사용되는 반면에 외부 공기 또는 다른 매체는 저온 공급원으로서 사용된다. 또 다른 실시예에서, 배기 발전 유닛(2)은 터빈 발전기 및 열전 발전기를 모두 구비할 수도 있다.
열전 발전기에 대해서는 나중에 설명한다. 도2는 열전 발전기(2b)의 일부(모듈)를 도시하는 사시도이다. 이 도면에 도시된 것처럼, 열전 발전기(2b)는 엔진의 배기의 열을 효과적으로 흡수하기 위한 고온측 기부판(11)과, 저온 단부측에 위치하고 물 또는 공기에 의해 냉각되는 저온측 기부판(12)과, 전극(14, 15)과, 리드선(16)을 포함한다.
각각의 열전 변환 소자 쌍(13)은 예를 들어 N형 반도체(13N)와 P형 반도체(13P)로 형성된 쌍이다. 10 쌍의 소자(13N, 13P)가 직렬로 연결되어서 배기 발전 유닛(2) 내에 하나의 발전 유닛으로서 작용하는 모듈을 형성한다. 특정 실시예에서, 열전 발전기(2b)는 서로 직렬로 조합되어 있는 100개 유닛의 이러한 동력 모듈을 포함한다. 열전 변환 소자(13)의 재료의 예로는 크리스탈 및 실리콘 게르마늄, 납 텔루륨, 비스무스 텔루륨 및 코발트 안티몬 등의 합금으로 된 소결체가 있다. 또한, 발전 유닛으로서 작용하는 발전 모듈에 포함된 열전 변환 소자 쌍(13)의 수는 10개에 제한되지 않고 경우에 따라 소정의 수로 될 수 있다. 발전 모듈의 수는 100개에 제한되지 않고 경우에 따라 소정의 수로 될 수 있다. 또한, 열전 발전기(2b)의 형상에 있어서 도2에는 발전기가 평면형으로 도시되어 있으나, 이 형상은 상기 예에 제한되지 않고 엔진의 배기관에 맞도록 원통형으로 되거나 발전기가 촉매 변환기 근처에 설치된 경우에는 촉매 변환기에 맞도록 박스 형상으로 될 수도 있다.
도3에 도시된 것처럼, 엔진의 공회전 상태 하에서는 엔진의 배기열이 작아서 차량 플로어 아래에 위치한 촉매 변환기 근처 또는 그 하류 위치에서의 배기관의 온도는 약 300 내지 400 ℃로 된다. 또한, 엔진의 배출 매니폴드 근처 또는 그 하류 위치에서의 배기관의 온도는 이보다 높고 약 400 내지 600 ℃로 된다.
열전 발전기(2b)가 차량의 하부 플로어 구역에 위치한 배기관 상에 설치되면, 공회전 상태 하에서 차량에 계속적으로 요구되는 약 200 내지 300 W를 공급하기에는 용량 부족을 일으킬 가능성이 있다.
이와 달리, 차량의 가속 또는 이와 유사한 상황 중에 배기관의 온도가 400 내지 800 ℃로 상승되어서 차량에 요구되는 전력을 열전 발전기(2b)만에 의해서 충분히 공급할 수 있게 된다.
배기관이 낮은 온도에 있는 경우에 전력 부족을 보상하기 위하여 더 많은 열전 변환 소자를 마련하여 열전 발전기를 구성할 수 있다. 그러나, 이 소자의 수는 차량에 발전기를 설치하는 관점에서 앞에서 설명한 소정의 수로 하는 것이 바람직하다.
열전 발전기(2b)에 전압 변환 기능을 제공함으로써 항상 최대 발전 효율을 얻도록 설정되며, 이로써 높은 열전 발전 효율을 얻을 수 있다.
배기관의 온도가 엔진 시동 직후에 낮은 온도에 있는 상태 하에서 축전지(6)의 전압이 열전 발전기(2b)의 전압보다 높은 경우에, 축전지(6)에 저장된 전류는 열전 발전기(2b) 쪽으로 반대 방향으로 흐른다. 이러한 현상을 방지하는 기능이 특정 실시예서는 전력 제어 유닛(3)에 합체되어 있다.
배기의 운동 에너지를 사용함으로써 전력을 발생하는 터빈 발전기(2a)는 배기 발전 유닛(2)으로서 사용될 수도 있다. 배기관(20)에 설치된 터빈 발전기(2a)의 개략적인 형상이 도4에 도시되어 있다. 특정 실시예에서, 터빈 발전기(2a)는 배기를 터빈 블레이드에 충돌시킬 때 터빈의 회전축의 회전 하에서 도입된 전류를 발생하는 소위 유도 발전기이다. 이 경우에, 이의 설치 위치는 가능한 한 배기관(20)의 상류 또는 배출 매니폴드(22) 근처에 위치하는 것이 바람직하다. 다시 말해서, 터빈 발전기(2a)를 가능한 한 엔진에 가까이 배치함으로써 고속 배기 또는 높은 운동 에너지의 배기를 효과적으로 사용할 수 있어서 높은 효율의 전력 발생을 이룰 수 있다.
배기의 운동 에너지가 사용되므로 엔진 시동 직후에 낮은 온도 상태 하에서도 높은 엔진 속도에서의 주행 모드에서 높은 속도의 배기를 얻을 수 있기 때문에 상기에 설명한 열전 발전기(2b)에 비해서 배기의 온도와는 무관하게 배기의 에너지를 효율적으로 사용할 수 있다.
터빈 발전기(2a)에 의해 발생된 전력량을 제어하는 것은 터빈의 유도 전류를 교류 발전기의 유도 전류와 유사하게 제어함으로써 가능해진다.
터빈 발전기(2a)에 의해 얻어진 전류는 교류이며, 따라서 이 전류를 차량에 사용할 수 있는 전력으로 변환시키기 위해서는 정전압을 얻도록 교류 발전기에서 수행되는 것처럼 전류를 정류할 필요가 있다. 따라서, 이 기능은 전력 제어 유닛(3)에 합체할 수도 있다.
차량의 운행 상태 판별 수단으로 작용하고 이 시스템의 일부를 형성하는 운행 상태 판별 유닛(4)에 대하여 설명한다. 운행 상태 판별 유닛(4)은 다음과 같이 배열된다. 예를 들어 차량의 속도, 차량의 가속도, 가속 페달의 누름량, 브레이크 페달의 누름량, 변속기의 기어 위치, 연소 상태(예를 들어 연소실의 온도 또는 노킹의 유무 등), 배기 온도, 흡입 공기 온도, 연료 공급량, 외기 온도, 대기 압력 및 이러한 상태의 변동값을 각각 검출하는 검출 센서(26)들이 마련된다. 이들 검출 센서 중 하나 이상의 센서에 의해 얻어진 정보는 차량이 현재 작동하고 있는 모드(즉, 정지(공회전)모드, 출발 또는 가속 모드, 정속 주행 모드, 감속 모드)를 결정하도록 판별된다.
축전 상태 판별 수단으로 작용하는 축전 상태 판별 유닛(5)은 예를 들어 축전지(6)의 전압(V), 입력 및 출력 전류(I), 축전지의 온도 및 다른 인자에 따라 축전 상태를 판별한다.
여기서, I＞0인 것은 축전지로부터 전류가 방전되는 것을 의미하고, I＜0인 것은 축전지에 전류가 충전되는 것을 의미한다. 또한, 냉각 기간 중에 엔진을 재시동할 수 있게 해주는 전압이 축전지의 최저 전압(Vmin)으로서 필요하다. 12 V 시스템의 축전지인 경우에 이 값은 약 10.5 V이다. 축전지가 완전 충전되었을 때의 최고 전압(Vmax)은 12 V 시스템의 축전지에서 약 13.5 내지 15 V이다.
최저 전압(Vmin) 및 최고 전압(Vmax)은 외기 온도 및 축전지(6) 자체의 열화 상태에 좌우되고, 따라서 상태에 따라 설정값(상기에 설명한 전압값에 제한되지 않음)을 변경시킴으로써 전력을 더욱 적절하게 제어할 수 있다. 축전지의 열화 상태는 전압(V)의 값과 전류(I)의 값을 측정하여 판별한다.
발전 수단(1, 2)과 차량의 전기 부하(7) 사이에 연결된 전력 제어 유닛(3), 운행 상태 판별 유닛(4) 및 축전 상태 판별 유닛(5)이 도1에서는 각각 분리된 위치에 배치된 것으로 도시되어 있으나, 특정 실시예에서 이들 유닛(3, 4, 5)의 기능은 하나의 위치에서 일체 유닛으로 조합될 수도 있다. 각각의 유닛(3, 4, 5) 또는 조합된 유닛은 이 기술 분야에 공지된 제어 논리 또는 적절한 장치로 실현할 수 있다.
자동차에 채용할 수 있는 시스템용의 상기 실시예에 따른 전기 에너지 공급 시스템의 작동에 대하여 표1을 참조하여 설명한다. 표1은 전력 제어 유닛(3)의 제어 하에서 발전 수단으로서 작용하는 출력축 발전 유닛(1) 및 배기 발전 유닛(2)의 작동 상태(ON) 및 비작동 상태(OFF)를 제어하는 방식의 예를 도시한다. 발전기의 제어는 예를 들어 4개의 모드, 즉 정지(공회전) 모드, 가속 모드, 정속 주행 모드 및 감속 모드 각각에서 축전 상태 판별 유닛(5)에 의해 얻어진 축전지(6)의 단자 전압(V) 및 전류(I)의 값에 따라 수행된다. 4개의 모드는 차량의 운행 상태 판별 유닛(4)에 의해 판별(즉, 결정)된다.
차량 구동 상태 전기 저장 상태 발전 수단 작동 상태
전압 전류 출력축발전 유닛 배기 가스발전 유닛
정지(공회전) V=Vmax I0I0 OFFOFF OFFOFF
VminVVmax I0I0 OFFOFF ONON
VVmin I0I0 ONON ONON
가속 VVmax I0I0 OFFOFF OFFOFF
VminVVmax I0I0 OFFOFF ONON
VVmin I0I0 ONOFF ONON
정속 주행 VVmax I0I0 OFFOFF OFFOFF
VminVVmax I0I0 OFFOFF ONON
VVmin I0I0 ONOFF ONON
감속 VVmax I0I0 OFFOFF OFFOFF
VminVVmax I0I0 ONOFF ONON
VVmin I0I0 ONON ONON
먼저, 차량을 출발시키기 위하여 키이 스위치를 ON으로 하여 엔진을 시동시킨다. 이때에, 전력은 엔진을 시동시키도록 축전지(6)로부터 시동기에 공급된다. 여기서 사용된 전류는 시동기의 용량에 따라 다소 차이가 있으나 일반적인 승용차에서는 정상 온도에서 약 300 내지 500 A이다. 엔진 시동에 필요한 전류는 대기 온도가 낮을 때 엔진 윤활유의 점도 등에 기인하여 증가한다. 공회전(정지) 상태는 엔진 시동 후에 검출된다.
엔진 시동 시에 축전지의 축전 상태는 축전 상태 판별 유닛(5)에 의해서 단자 전압(V)에 따라 판별된다. 저장 상태에 관한 정보 신호는 전력 제어 유닛(3)에 전달된다.
전압값(V)＝Vmax이면, 차량에 필요한 전력이 충분하고, 따라서 출력축 발전 유닛(1) 및 배기 발전 유닛(2)이 작동되지 않고 전류값의 크기와는 무관하게 비작동 상태(OFF)로 된다. 전압값(V)이 Vmax＞V＞Vmin이면, 전류값(I)의 크기와는 무관하게 배기 발전 유닛(2)만이 전력 제어 유닛(3)에 의해 작동 상태(ON)로 된다. 전압값(V)이 V＜Vmin이면, 축전지(6)의 충전량 부족을 보상하도록 전류값(I)의 크기와는 무관하게 출력축 발전 유닛(1)도 작동되어서 배기 발전 유닛(2)에 의해서만 공급될 수 없는 양을 보상하게 된다. 이 상태는 차량이 엔진 시동 직후에 정지하여 있는 공회전 상태 하에서 계속된다.
차량이 출발하여 가속되는 상태 하에서 차량 속도, 가속도 및 가속 페달의 누름량 등이 검출 센서(26)에 의해 검출된다. 검출된 정보 신호는 운행 상태 판별 유닛(4)에 전달된다. 운행 상태 판별 하에서 얻어진 운행 상태 판별 정보(즉, 차량이 출발 및 가속 모드에 있는 것을 나타내는 정보)는 전력 제어 유닛(3)에 전달된다.
주행 상태(표 1에서 가속) 하에서 축전 상태 판별 유닛(5)에 의해 판별된 전압값(V)이 V＞Vmax이면, 차량에 필요한 전력은 충분하고 따라서 출력축 발전 유닛(1) 및 배기 발전 유닛(2)이 전류값(I)의 크기와는 무관하게 전력 제어 유닛(3)의 작용 하에서 비작동 상태(OFF)로 제어된다. 전압값(V)이 Vmax＞V＞Vmin이면, 배기 발전 유닛(2)이 전류값(I)의 크기와는 무관하게 전력 제어 유닛(3)의 작용 하에서 작동 상태(ON)로 제어된다. 전기의 저장량이 불충분해서 V＜Vmin 및 I＞0으로 되면, 배기 발전 유닛(2) 및 출력축 발전 유닛(1)이 모두 작동 상태(ON)로 제어된다. 이 상태에서는 필요한 전력이 차량의 가속 시에 배기 발전 유닛(2)에 기인하여 공급될 수 있어서 축전지(6)가 방전 상태로 되는 것을 방지하도록 교류 발전기(1)에 의해 발생된 전력량이 전력 제어 유닛(3)에 의해서 최소의 값으로 억제된다. 전압값(V)이 V＜Vmin이고 전류값(I)이 I＜0이면, 배기 발전 유닛(2)만이 작동 상태(ON)로 제어되고 교류 발전기(1)는 전력 제어 유닛(3)의 작용 하에서 비작동 상태(OFF)로 제어된다.
여기서 사용된 자동차의 가속 시란 용어는 예를 들어 감속 모드에 포함된 하향 경사 상에서 가속기 페달이 눌리지 않은 상태에서 차량이 가속되는 상태로 되는 엔진의 높은 부하 작동 상태를 의미한다.
차량이 가속되어 정속 주행 모드로 되도록 소정의 속도에 도달한 후에, 가속기 페달의 누름량 및 다른 파라미터들이 검출 센서(26)에 의해 검출된다. 이렇게 검출된 정보 신호는 운행 상태 판별 유닛(4)에 전달된다. 이러한 운행 상태 판별에 의해서 얻어진 운행 상태 판별 정보(즉, 차량이 정속 주행 모드에 있는 것을 나타내는 정보)는 전력 제어 유닛(3)에 전달된다.
이러한 주행 상태 하에서 축전 상태 판별 유닛(5)에 의해 판별된 전압값(V)이 V＞Vmax이면, 차량에 필요한 전력이 충분하며 따라서 출력축 발전 유닛(1) 및 배기 발전 유닛(2)이 모두 전류값(I)의 크기와는 무관하게 전력 제어 유닛(3)의 작용 하에서 비작동 상태(OFF)로 제어된다. 전압값(V)이 Vmax＞V＞Vmin이면, 배기 발전 유닛(2)만이 전류값(I)의 크기와는 무관하게 전력 제어 유닛(3)의 작용 하에서 작동 상태(ON)로 제어된다.
전기의 저장량이 불충분해서 V＜Vmin 및 I＞0으로, 즉 전류가 축전지(6)로부터 방전되는 상태가 되면, 배기 발전 유닛(2) 및 출력축 발전 유닛(1)이 모두 작동 상태(ON)로 된다. 이 경우에는 축전지(6)의 전류값(I)이 전력 제어 유닛(3)의 작용 하에서 I＝0으로 되도록 출력축 발전 유닛(1)에 의해 발생된 전력량이 제어된다.
또한, 전압값(V)이 V＜Vmin이고 전류값(I)이 I＜0으로, 즉 전류가 축전지(6) 쪽으로 흐르는 상태에서는 배기 발전 유닛(2)만이 작동 상태(ON)로 제어되고 출력축 발전 유닛(1)은 비작동 상태(OFF)로 제어된다.
차량이 감속 주행 상태에 있으면, 차량 속도, 가속도, 가속기 페달의 누름량, 브레이크 페달의 누름량, 연료 공급량, 엔진 속도 및 다른 파라미터 등의 소정 파라미터들이 검출 수단(26)에 의해 검출된다. 검출된 정보 신호들은 운행 상태 판별 유닛(4)에 전달된다. 운행 상태 판별 정보(즉, 차량이 감속 모드에 있는 것을 나타내는 정보)는 전력 제어 유닛(3)에 전달된다.
이러한 주행 상태 하에서 축전 상태 판별 유닛(5)에 의해 판별된 전압값(V)이 V＞Vmax이면 출력축 발전 유닛(1) 및 배기 발전 유닛(2)이 모두 전력 제어 유닛(3)에 의해 비작동 상태(OFF)로 제어된다.
또한, 전압값(V)이 Vmax＞V＞Vmin이고 전류값(I)이 I＞0으로, 즉 전류가 축전지(6)로부터 부하(7)로 방전되는 상태이면, 배기 발전 유닛(2)이 작동 상태(ON)로 제어되고 출력축 발전 유닛(1)이 비작동 상태(OFF)로 제어된다. 이는 다음의 이유 때문이다. 배기의 에너지 양이 차량의 정지와 유사한 감속 시에 낮아서 배기 발전 유닛(2)만에 의해서 얻은 전력이 불충분하다. 따라서, 전력 제어 유닛(3)은 출력축 발전 유닛(1)에 의한 발전이 최대로 되어 축전지(6)를 충전 상태로 두는 방식으로 제어한다.
또한, 전압값(V)이 Vmax＞V＞Vmin이고 전류값(I)이 I＜0으로, 즉 전류가 축전지(6)에 입력되는 상태이면, 출력축 발전 유닛(1)이 비작동 상태(OFF)로 제어되어 이 유닛에 의해서는 전력 발생이 일어나지 않는 반면에 배기 발전 유닛(2)이 작동 상태(ON)로 제어되게 된다.
또한, 전압값(V)이 V＜Vmin이면, 축전지(6)의 충전량이 불충분해서 출력축 발전 유닛(1)과 배기 발전 유닛(2) 모두가 전력 제어 유닛(3)에 의해 작동 상태(ON)로 제어된다. 이러한 상태 하에서, 차량 주행 시의 운동 에너지가 전력으로서 회수된다.
출력축 발전 유닛(1) 및 배기 발전 유닛(2)의 ON/OFF 상태를 제어하도록 하는 전력 제어 유닛(3)의 프로그래밍은 상기 표 1에 주어진 것처럼 이 기술 분야의 숙련자는 쉽게 마련할 수 있다.
상기 시스템의 배기 발전 유닛으로서의 열전 발전기(2b)를 사용하는 경우에, 발전기(2b)에 의해 발전된 출력 전력은 배기관을 통해서 배출되는 배기의 양, 배기의 유동 속도, 대기에 방출된 열량, 열전 발전기(2b)의 고온측 온도 및 저온측 온도 및 그 외의 다른 파라미터에 따라 미리 계산할 수 있다. 따라서, 열전 발전기(2b)의 비정상 및 열화 상태를 상기 계산된 출력 전력과 실제 출력 전력과의 차에 따라 검출할 수 있다. 이러한 상태에서(도2) 검출 수단(30)을 부가함으로써, 전력 공급은 전력 제어 유닛(3)의 작용 하에서 출력축 발전 유닛(1)에 의해 제공되도록 변경된다. 이러한 작동은 예를 들어 열전 발전기가 이의 발전 능력을 상실했을 때 수행되며, 이로써 차량에의 전력 공급을 보장한다. 이는 본 발명의 전기 에너지 공급 시스템이 더욱 실제적이고 높은 신뢰성을 갖게 해준다.
본 발명의 전기 에너지 공급 시스템이 가솔린 엔진에 장착된 경우에 대하여 설명하였으나 본 발명은 가솔린 엔진으로부터 방출되는 배기 에너지를 이용하는 것에 제한되지 않으며, 디젤 엔진의 배기 에너지를 이용하는 데에도 적용할 수도 있다. 구동원으로서 전기 모터를 사용하는 전기 차량에서는 전기 차량의 출발 및 가속 시에 전기 모터로부터 발생된 열을 열원으로서 사용할 수 있어서 효과적인 에너지 사용이 가능하게 된다. 또한, 본 발명의 전기 에너지 공급 시스템이 적용되는 차량은 자동차에만 제한되지 않고 모터 사이클 및 이와 유사한 차량에도 적용할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 차량의 가속 및 주행 시에 전압값(V)이 V＞Vmax로 되는 발전량 과도 상태가 일어나며, 이 상태에서 과도한 전력은 효과적으로 사용되지 않는다. 따라서, 이러한 과도한 전력을 효과적으로 사용하기 위해서 교류 발전기 자체 등의 출력축 발전 유닛(1)을 발전 기능을 갖는 원동기로서 배열하거나 또는 원동기를 별도로 마련하며, 이로써 가속 및 주행 시의 엔진 부하를 감소시킬 수 있다. 이는 차량의 가속 성능 및 연료 경제성을 개선한다.
열전 발전기(2b)가 배기 발전 유닛(2)으로 되면, 발전 유닛의 펠티어(Peltier) 효과를 이용하여 배기의 온도를 양호하게 제어할 수 있다. 예를 들어, 열전 발전기(2b)가 촉매 변환기의 상류에 배치되면, 촉매 변환기의 온도가 저온이고 배기의 온도가 저온인 상태에서 배기가 열전 발전기(2b)로의 전력 공급에 의해 가열된다. 이는 촉매의 반응 능력을 증진시켜서 배기의 정화 성능을 증진시킬 수 있게 해준다.
배기의 온도가 현저하게 높은 고부하 작동 상태에서는 펠티어 효과를 이용하여 배기의 온도를 낮추어 적절하게 제어할 수 있다. 이는 배기 시스템의 신뢰성을 개선한다.
본 발명에 대하여 상세하게 도시하고 설명하였으나 상기 설명 내용은 단지 예시적인 것으로서 본 발명을 제한하는 것이 아니며, 본 발명의 기술 사상 및 범위는 첨부한 청구범위에 의해서만 한정된다.

Claims (28)

  1. 차량의 전력 제어 시스템에 있어서,
    차량 구동원과,
    차량에 배치된 전기 부하와,
    구동원으로부터의 제1 에너지 출력에 의해 구동되는 제1발전기와,
    구동원으로부터의 제2 에너지 출력에 의해 구동되는 제2발전기와,
    축전지와,
    전력이 통하도록 전기 부하와 제1 및 제2 발전기 그리고 축전지를 연결하는 전기 라인과,
    축전지의 충전 상태를 판별하는 축전 상태 판별 유닛과,
    차량의 운행 상태를 판별하는 운행 상태 판별 유닛과,
    축전 상태 판별 유닛과 운행 상태 판별 유닛에 연결되고 판별된 축전지의 저장 상태와 판별된 차량의 운행 상태의 함수로서 제1발전기와 제2발전기를 제어하는 전력 제어 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 제1발전기가 구동원에 의한 운동 에너지 출력으로부터 전력을 발생하는 운동 에너지 변환기인 것을 특징으로 하는 전력 제어 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 구동원이 엔진이고, 운동 에너지 변환기가 엔진의 회전에 의해 구동되는 교류 발전기인 것을 특징으로 하는 전력 제어 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 구동원이 내연기관이고, 제2발전기가 엔진 배기의 에너지로부터 전기를 발생하는 배기 발전기인 것을 특징으로 하는 전력 제어 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 배기 발전기가 엔진의 열 에너지로부터 전력을 발생하는 열전 발전기인 것을 특징으로 하는 전력 제어 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 엔진이 배기 통로를 갖고 열전 변환기가 배기 통로 상에 위치한 것을 특징으로 하는 전력 제어 시스템.
  7. 제4항에 있어서, 배기 발전기가 엔진 배기의 운동 에너지로부터 전력을 발생하는 운동 에너지 변환기인 것을 특징으로 하는 전력 제어 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 엔진이 배기 통로를 갖고, 운동 에너지 변환기가 엔진 배기에 의해 구동되도록 배기 통로에 배치된 가스 터빈인 것을 특징으로 하는 전력 제어 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 축전지의 충전이 소정 수준 이하에 있을 때 전력 제어 유닛이 제1발전기와 제2발전기를 작동시키도록 기능하는 것을 특징으로 하는 전력 제어 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 전기 부하가 크고 축전지가 전기를 방전할 때 전력 제어 유닛이 제1발전기를 정지시키도록 기능하는 것을 특징으로 하는 전력 제어 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 축전지가 최소의 소정 수준으로 충전되었을 때 전력 제어 유닛이 제1발전기 및 제2발전기의 작동을 억제하도록 기능하는 것을 특징으로 하는 전력 제어 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 축전지가 최소의 소정 수준으로 충전되지 않는 한 전력 제어 시스템이 제2발전기를 작동시키도록 기능하는 것을 특징으로 하는 전력 제어 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 차량이 고부하 상태로 주행할 때 전력 제어 유닛이 제1 및 제2 발전기를 작동시키도록 기능하는 것을 특징으로 하는 전력 제어 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 고부하 상태가 차량의 가속 상태인 것을 특징으로 하는 전력 제어 시스템.
  15. 제1항에 있어서, 전력 제어 유닛이 최대 전력을 발생하도록 제2발전기를 작동시키고 보조 전력을 부가하도록 제1발전기를 작동시키도록 기능하는 것을 특징으로 하는 전력 제어 시스템.
  16. 제4항에 있어서, 판별된 운행 상태가 차량의 부하가 작은 것을 나타낼 때 더 많은 전력을 발생하고 차량의 부하가 클 때 더 작은 전력을 발생하도록 전력 제어 유닛이 제1발전기를 작동시키도록 기능하는 것을 특징으로 하는 전력 제어 시스템.
  17. 차량의 전력 제어 시스템에 있어서,
    차량을 이동시키는 동력을 공급하는 동력원과,
    동력원으로부터의 제1 에너지 출력에 의해 작동되는 제1발전기와,
    동력원으로부터의 제2 에너지 출력에 의해 작동되는 제2발전기와,
    제2에너지에 따라 동력원의 운행 상태를 검출하는 운행 상태 판별 유닛과,
    검출된 운행 상태에 반응하여 제1 및 제2 발전기를 제어하는 제어 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 제어 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 제1 및 제2 발전기에 의해 발생된 전기 에너지를 저장하는 축전지와, 축전지의 충전 상태를 판별하는 축전 상태 판별 유닛을 더 포함하고, 제어 유닛이 축전지의 충전 상태의 함수로서 제1 및 제2 발전기를 제어하도록 기능하는 것을 특징으로 하는 전력 제어 시스템.
  19. 차량의 동력원에 의한 상이한 형태의 에너지 출력으로부터 전력을 발생하여 이를 축전지에 제공하는 적어도 제1 및 제2 발전기를 갖는 차량의 전력 발생을 제어하는 방법에 있어서,
    축전지의 충전 상태를 검출하는 단계와,
    차량의 운행 상태를 판별하는 단계와,
    검출된 축전지의 충전 상태와 검출된 차량의 운행 상태의 함수로서 제1 및 제2 발전기의 작동을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제19항에 있어서, 동력원에 의한 운동 에너지로부터 전력을 발생하도록 제1발전기를 작동시키는 단계와, 동력원의 열 에너지로부터 전력을 발생하도록 제2발전기를 작동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제19항에 있어서, 동력원에 의한 운동 에너지로부터 전력을 발생하도록 제1발전기를 작동시키는 단계와, 동력원에 의해 방출된 배기의 운동 에너지로부터 전력을 발생하도록 제2발전기를 작동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 차량의 전기 에너지 공급 시스템에 있어서,
    차량을 구동하기 위한 구동원으로부터 취해지는 여러 에너지를 이용하여 전력을 발생시키는 복수개의 발전 유닛과,
    전기 에너지를 저장하는 축전 장치와,
    차량의 운행 상태를 판별하는 운행 상태 판별 유닛과,
    축전 유닛의 축전 상태를 판별하는 축전 상태 판별 유닛과,
    복수개의 발전 유닛 각각에 의해 발생된 전력량을 운행 상태 판별 유닛과 축전 상태 판별 유닛으로부터 수신된 정보에 따라 제어함으로써 차량에 사용되는 전기 에너지의 공급량을 제어하는 전력 제어 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 공급 시스템.
  23. 제22항에 있어서, 구동원이 내연기관을 포함하고, 복수개의 발전 유닛이 내연기관으로부터 얻어진 동력 에너지를 이용하여 전력을 발생하는 출력축 발전기와 내연기관의 배기 에너지를 이용하여 전력을 발생하는 배기 발전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 공급 시스템.
  24. 제22항에 있어서, 배기 발전 유닛이 내연기관으로부터 배출된 배기의 열 에너지를 이용하여 전력을 발생하는 열전 발전기인 것을 특징으로 하는 전기 에너지 공급 시스템.
  25. 제23항에 있어서, 배기 발전 유닛이 내연기관으로부터 배출된 배기의 운동 에너지를 이용하여 전력을 발생하는 터빈 발전기인 것을 특징으로 하는 전기 에너지 공급 시스템.
  26. 제23항에 있어서, 차량이 운행 상태 판별 유닛에 의해 가속 상태에 있는 것으로 검출되었을 때 전력 제어 유닛이 전력을 발생하여 이에 의해서 얻어진 전기 에너지를 축전 장치 및 차량 내의 전력 부하에 공급하는 주 발전원으로서 배기 발전 유닛을 작동시키도록 기능하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 공급 시스템.
  27. 제23항에 있어서, 차량이 운행 상태 판별 유닛에 의해 가속 상태에 있는 것으로 검출되었을 때 전력 제어 유닛이 전력을 발생하여 이에 의해서 얻어진 전기 에너지를 축전 유닛 및 차량 내의 전력 부하에 공급하는 주 발전원으로서 출력축 발전 유닛을 작동시키도록 기능하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 공급 시스템.
  28. 제23항에 있어서, 배기 발전 유닛의 발전 능력을 검출하는 검출 유닛을 더 포함하고, 이 검출 장치에 의해 검출된 발전 능력이 소정 수준 이하일 때 전력 제어 유닛이 주 발전원으로서 출력축 발전 유닛을 작동시키도록 기능하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 공급 시스템.
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