KR19990017153A - 하이브리드 방식의 전기자동차용 보조 전력장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 발전기의 출력을 항상 최대출력으로 유지시켜 축전지의 충전효율을 증대시키고 엔진의 부하변동을 줄여 매연을 감소시키는 하이브리드 방식의 전기자동차용 보조전력장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 하이브리드 방식의 전기자동차용 보조전력장치는, 연료를 공급받아 동력에너지를 발생시키는 엔진, 상기 엔진에서 발생된 동력에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전기, 상기 발전기에서의 출력전력을 최대값으로 유지시키기 위한 발전기콘트롤러, 상기 발전기콘트롤러에 의하여 제어된 전력을 공급받아 동력을 발생시키기 위한 전동기, 상기 발전기콘트롤러에 의하여 제어된 전력을 충전하고 이를 다시 필요에 따라 방전하는 축전지로 이루어진 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명에 의하면 발전기의 출력을 항상 최대출력으로 유지시킴으로서 엔진을 정속구동시킴으로서 연료 및 매연을 줄이는 효과가 있으며, 또한 정속구동에 따라 엔진정속장치를 제거할 수 있어 구조의 단순화 및 경제적 이익을 얻을 수 있는 효과가 있다.

Description

하이브리드 방식의 전기자동차용 보조 전력장치

본 발명은 하이브리드 방식의 전기자동차용 보조 전력장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발전기의 출력이 항상 최대가 될 수 있도록 제어하기 위한 발전기 콘트롤러가 마련된 하이브리드 방식의 전기자동차용 보조 전력장치에 관한 것이다.

일반적으로 하이브리드(Hybrid) 방식의 자동차는 전기자동차의 실용화보급에 최대의 과제인 주행성능, 항속거리 등 동력성능을 보완할 목적으로 내연기관을 탑재하여 이를 발전용 혹은 동력발생용으로 이용하는 것을 지칭한다.

도 1은 이러한 종래 하이브리드 방식의 자동차용 보조 전력장치를 도시한 블록도로서, 이를 참조하여 보조 전력장치를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 하이브리드 방식에서의 발전기는 부하(축전지, 전동기 등)에 따라 발전량이 결정된다. 부하에서 많은 전력을 소비하는 경우 발전기의 발전량은 증대되며, 증대된 발전량은 정전압으로 유지되어 부하에 공급된다. 그리고 부족분은 축전지의 방전에 의해 충당된다.

즉, 내연기관인 엔진(1)과 기계적으로 직결된 발전기(2)로부터 생성된 전력은 발전기 콘트롤러(3)를 통하여 정전압으로 유지되어 전동기(4)에 공급된다. 이때 구동계(5)에 동력을 전달하는 전동기(4)에 과부하가 걸리게 되면 전류의 흐름이 급속히 증대되고, 전동기(4)에 부하가 극히 적게 걸리면 전류의 흐름도 줄게된다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 전동기의 부하전류는 부하조건에 따라 그 크기가 가변된다. 따라서, 발전기에서의 최대출력전류는 정해져 있으므로, 그 부족분은 축전지를 통하여 충당되고, 또 여분은 축전지에 재충전된다. 그리고 발전기의 발전전류의 특성은 정전압이 유지되도록 제어되므로 부하에 따라 발전기의 출력이 가변되게 되면, 전압의 그 크기가 유지되는 반면, 전류의 크기는 변화하게 된다. 따라서, 부하량에 따라 발전기는 그 출력이 항상 변화하게 된다.

그러나 종래의 하이브리드 방식의 전기자동차용 보조전원장치는 다음과 같은 문제점이 있었다.

즉, 부하인 전동기에 걸리는 부하량이 가변됨에 따라 발전기의 출력값이 변화되고 또한 이에 따라 엔진의 회전수 역시 가변되어 매연을 감소시키는데 한계가 있었다.

또한, 급변하는 부하의 변동 즉, 과부하로부터 무부하로의 상태변환은 발전기가 순간적으로 무부하상태에 의한 회전수 변화를 일으키고, 이것을 곧바로 엔진에 영향을 미치기 때문에 이를 방지하기 위한 엔진정속장치(6)의 추가부담이 발생하였다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 발전기의 출력을 항상 최대출력으로 유지시켜 축전지의 충전효율을 증대시키고 엔진의 부하변동을 줄여 매연을 감소시키는 하이브리드 방식의 전기자동차용 보조전력장치를 제공하는데 있다.

도 1은 종래 하이브리드 방식의 전기자동차용 보조 전력장치의 블록도,

도 2는 도 1에 의한 발전기 및 전동기, 그리고 축전지에서의 전원 파형도,

도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 방식의 전기자동차용 보조 전력장치의 블록도,

도 4는 도 3에 의한 발전기 및 축전지에서의 전원 파형도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11:엔진 12:발전기 13:발전기콘트롤러

14:전동기 15:구동계 16:축전지

이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 연료를 공급받아 동력에너지를 발생시키는 엔진, 상기 엔진에서 발생된 동력에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전기, 상기 발전기에서의 출력전력을 최대값으로 유지시키기 위한 발전기콘트롤러, 상기 발전기콘트롤러에 의하여 제어된 전력을 공급받아 동력을 발생시키기 위한 전동기, 상기 발전기콘트롤러에 의하여 제어된 전력을 충전하고 이를 다시 필요에 따라 방전하는 축전지로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 하나의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하고자 한다.

도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 방식의 전기자동차용 보조전력장치의 블록도로서, 이를 참조하여 보조전력장치를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 그 주요구성부는 내연기관인 엔진(11), 이 엔진(11)과 기계적으로 직결되며 엔진(11)의 기계적인 동력에너지를 전기적인 에너지로 변환시키기 위한 발전기(12), 발전기(12)의 출력을 제어하기 위한 발전기콘트롤러(13), 발전기콘트롤러(13)로부터 제어된 전원을 공급받아 자동차의 구동계(15)에 동력을 발생시키기 위한 전동기(14), 그리고 발전기(12)에서 발생된 전기에너지중 여분의 전기에너지를 저장하였다가 다시 방전시켜 필요한 전기에너지를 공급하기 위한 축전지(16)로 이루어진다.

전술한 구성부중 엔진(11)은, 현재 사용중인 가솔린 자동차의 내연기관과 동일한 개념으로 제작된 것으로 하이브리드 방식의 전기자동차에 탑재하기 위하여 소형으로 제작된다. 이러한 소형제작에 힘입어 현재의 가솔린 자동차의 배기가스보다 더 청정한 배기가스를 배출하기 때문에 저공해 자동차로서의 잇점을 구비하고 있다.

그리고 발전기(12)는, 영구자석형 발전기로서 그 대략적인 구조는 발전기 고정자의 소정위치에 고정되어 설치된 전기자 코일, 상기 전기자 코일과 소정간격 이격되어 회전가능토록 설치된 영구자석을 취부한 회전자로 설명할 수 있다. 이러한 구조에서 영구자석 회전자가 회전하게 되면 상기 전기자 코일과 상기 영구자석 회전자 사이에 플레밍의 오른손 법칙에 의한 기전력이 유기된다.

그리고 발전기콘트롤러(13)는 축전지(16)의 잔존용량부족으로 내연기관인 엔진(11)이 구동되면 발전기(12)로부터 전력이 출력되는데 이때 3상 교류상태로 출력되는 전원을 전파정류하는 아이지비티(IGBT)를 이용한 정류회로 및 정류된 직류전원의 전압, 전류의 크기를 제어한다.

그리고 전동기(14)는 여러방식이 사용되고 있으며 크게 나누어 직류모터와 교류모터로 구별된다. 직류모터는 고정자부에서 발생하는 자장을 제어하는 데에 있어서 정류자에 의한 기계적 스위칭을 사용하며 회전수의 상한이 내연기관의 상용회전수상한에 가깝기 때문에 시판차량의 개조에 적합하며, 교류모터는 브러쉬가 없고 구조가 간단하며 가격이 싸고 내구성이 좋은 것이 특징이다. 그리고 유망시되고 있는 전동기로 영구자석식 브러쉬리스모터를 들수 있다. 이는 전동기에 보자력이 높은 히토류자석을 사용하여 인버터에 의해 회전자장을 만들어 회전시키는 것으로 브러쉬가 없기 때문에 회전수의 상한이 높다. 또한 보자력이 높기 때문에 전기, 힘 변환효율도 높다.

그리고 구동계(15)는 전동기(14)의 출력이 작기 때문에 가솔린차와 마찬가지로 변속기에 의해 필요한 동력을 확보하고 있으며, 최근에는 대출력의 전동기를 채용하여 변속기없이 전 속도영역을 커버하여 경량화, 저손실화를 꾀하려는 방법도 정착되어 가고 있다. 다른 하나의 개념으로서 각 차륜의 휠내에 전동기를 장착하여 고효율화를 꾀하고자 한 것이 있다.

그리고 축전지(16)는 발전기(12)에서 발생된 여분의 전류를 충전하고 필요시 방전하게되는데 이는 저전압 용량의 다수개의 배터리를 직렬연결시켜 사용하고 있다.

이하, 본 발명에 따른 하이브리드 방식의 전기자동차용 보조전력장치의 동작을 도 4를 참조하여 상세히 설명하고자 한다.

도 4a는 엔진 구동에 따른 발전기에서의 출력(전류(I)*전압(V))을 도시한 출력 파형도이며, 도 4b는 하이브리드 방식의 전기자동차의 운행시 축전지에서의 충전 및 방전상태를 도시한 출력파형도, 도 4c는 도 4b의 (가)부분에서의 전압과 전류, 그리고 발전기의 출력 파형도, 그리고 도 4d는 도 4b의 (나)부분에서의 전압과 전류, 그리고 발전기의 출력 파형도이다.

먼저, 하이브리드 방식의 전기자동차는 축전지(16)가 충전된 상태에서 운전자가 시동을 걸게되면 발전기콘트롤러(13)내에 전원이 인가되어 발전기콘트롤러(13)는 축전지(16)의 충전상태를 감지하여 축전지(16)의 충전/방전전류, 및 전압, 그리고 배터리의 잔존용량 등을 감지하여 축전지(16)의 상태정보를 읽어들인다. 읽어들인 축전지(16)의 상태정보가 미리 설정된 소정의 하한치에 이르기전까지는 내연기관인 엔진(11)은 작동하지 않고 축전지(16)의 방전에 의해서만 전기자동차는 구동되게 된다. 이 후, 차량의 계속적인 운행으로 축전지(16)의 잔존용량이 미리 설정된 소정의 하한치에 이르면 이를 발전기콘트롤러(13)에서 검지하여 내연기관인 엔진(11)을 구동시켜 발전기(12)로부터 전력을 출력한다. 이때 발전기(12)에서 출력되는 전력은 도 4a에 도시된 바와 같이 일정값을 유지하게 된다. 이는 발전기콘트롤러(13)에서 내연기관인 엔진(11)을 정속으로 운전시켜 발전기(12)로부터 최대출력이 나올 수 있도록 전압과 전류를 제어하기 때문이다. 그리고 차륜구동수단인 전동기(14)에 과부하가 걸리게 되면 발전기(12)로부터 전원이 공급되고 그 부족분은 축전지(16)로부터 공급된다. 반대로 발전기(12)로부터 발전된 전력이 부하에서 필요로하는 전력보다 더 발생된 경우 축전지(16)로의 충전이 이루어진다. 즉, 도 4b에 도시된 바와 같이 축전지(16)에서 충전 및 방전이 이루어진다. 도 4b의 (가)구간은 축전지(16)에서 충전이 이루어지는 구간으로 이는 전술한 바와 같이 발전기(12)에서 발전된 전력이 부하에서 필요로하는 전력보다 더 발생된 경우로 발전기콘트롤러(13)에서는 발전기의 출력전력을 제어하게되는데 이는 축전지(16)에 충전하기 위하여 전압을 높이고 전류를 낮추어 충전율을 높이며, 또한 부하의 변동에 상관없이 발전기(12)의 전체적인 출력전력을 유지시키므로서 엔진(11)을 정속구동시킬 수 있는 조건 즉, 발전기(12)에서의 출력전력 P1는 전압V1*전류I1으로 일정값을 유지하게 된다. 또한 도 4b의 (나)구간은 발전기(12)에서 발전된 전력이 부하에서 필요로하는 전력보다 부족한 것으로 그 부족분을 축전지(16)에서 공급하고 있는 구간이다. 즉, 전동기(14)에 과부하가 걸리게 되면 전동기(14)로의 인가전류는 크게 상승된다. 따라서, 발전기콘트롤러(13)는 발전기(12)에서 출력된 전력을 전류성분은 증대시킴에 반하여 전압성분은 낮추어 전동기(14)에 공급하게 된다. 이때 전체적인 발전기(12)의 출력저하는 따르지 않는다. 즉, 발전기(12) 출력전력 P2는 전압V2*전류I2로 일정하게 유지되며 이는 발전기콘트롤러(13)에서 P1=P2관계가 성립되도록 제어하므로서 발전기(12)에서의 전력변화는 없게되며 따라서, 엔진(11) 또한 정속구동이 가능하게 된다. 이를 도 4c,d를 참조하면, 도 4c에 도시된 전압V1과 전류I1을 곱한 출력값은 P1은 도 4d의 전압V2와 전류I2를 곱한 출력값 P2와 그 크기가 항상 같게 유지된다.

이상에서 전술한 바와 같이, 본 발명에 의하면 발전기의 출력을 항상 최대출력으로 유지시킴으로서 엔진을 정속구동시킴으로서 연료 및 매연을 줄이는 효과가 있으며, 또한 정속구동에 따라 엔진정속장치를 제거할 수 있어 구조의 단순화 및 경제적 이익을 얻을 수 있게 되며, 또한 여분의 전력을 충전시 배터리에 인가되는 전압을 높일 수 있어 충전효율을 높이는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 연료를 공급받아 동력에너지를 발생시키는 엔진, 상기 엔진에서 발생된 동력에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전기, 상기 발전기에서의 출력전력을 최대값으로 유지시키기 위한 발전기콘트롤러, 상기 발전기콘트롤러에 의하여 제어된 전력을 공급받아 동력을 발생시키기 위한 전동기, 상기 발전기콘트롤러에 의하여 제어된 전력을 충전하고 이를 다시 필요에 따라 방전하는 축전지로 이루어진 것을 특징으로 하는 하이브리드 방식의 전기자동차용 보조전력장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 발전기콘트롤러는

   상기 발전기의 출력전력의 전압성분 및 전류성분을 동시에 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 방식의 전기자동차용 보조전력장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 축전지에 충전되는 전력은 상기 발전기콘트롤러에 의하여 최대전압값으로 제어되어 공급되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 방식의 전기자동차용 보조전력장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 전동기가 과부하상태일 경우 공급되는 전력은 상기 발전기콘트롤러에 의하여 최대전류값으로 제어되어 공급되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 방식의 전기자동차용 보조전력장치.
5. 제 2항에 있어서, 상기 발전기콘트롤러는

   부하량에 관계없이 일정한 발전전력을 유지 발전시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 방식의 전기자동창용 보조전력장치.
6. 제 5항에 있어서, 상기 발전기 콘트롤러의 정전력발전 특성으로 상기 엔진을 정속구동시키기 위한 정속구동장치를 제거시킨 것을 특징으로 하는 하이브리드 방식의 전기자동차용 보조전력장치.