KR20010019654A - 차량용 감속 및 충전 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량의 감속시에 감소하는 운동에너지를 전기에너지로 바꾸어 충전하는 장치에 관한 것이다. 차량의 운행 중에 운전자가 브레이크 페달을 밟으면, 부하제어부에서 이를 감지하여 운전자가 브레이크 페달을 밟는 정도에 따라서 발전기의 계자 코일에 흐르는 전류의 양을 증가시킨다. 발전기의 계자 코일에 흐르는 전류의 양이 증가하면 발전기의 내부의 자속 밀도가 증가하게 되므로 발전기의 회전자를 회전시키는데 더욱 큰 힘이 필요하게 되며, 이에 따라서 발전기의 회전자와 자동차의 구동 바퀴를 기계적으로 연결시켜 놓으면 자동차의 구동 바퀴의 회전 속도가 감소하게 되며, 이와 동시에 발전기에서 발생하는 기전력이 증가할 것이며 이를 이용하여 배터리 제어부에서 배터리를 충전한다.

Description

차량용 감속 및 충전 장치 {decelerating and charging apparatus for a vehicle}

본 발명은 차량용 감속 및 충전 장치에 관한 것으로, 보다 더 상세히 설명하자면 차량의 운동에너지를 전기에너지로 변화시켜서 차량을 감속시키는 동시에 충전하는 장치에 관한 것이다.종래의 내연 기관 자동차에서는 연료를 연소시켜 회전력을 발생시켜서 차량을 움직이면서, 내부의 전기 시스템에서 필요한 전기에너지는 내연기관에 연결된 발전기를 회전시켜서 발생한 전기 에너지를 충전지에 저장한 후에 사용한다. 또한, 감속시에는 이와는 별도의 브레이크 시스템을 설치하여 운전자가 브레이크 페달을 밟음에 따라서, 마찰력에 의해서 자동차의 바퀴의 회전 속도를 감소시키게 된다. 이때 차량이 감속하면서 감소하는 운동에너지는 열에너지로 변화한다.

종래의 내연 기관 자동차는 연료의 연소에 의해서 발생하는 유해성분이 문제가 되고 있으며, 이를 극복하기 위한 대안으로서 전기자동차가 주목을 받고 있다. 도 1은 전기자동차의 구성을 나타내는 블록도이다. 전기 자동차는 도 1에 도시된 바와 같이 일반 전원(10)으로부터 전력을 공급받아서 이를 충전기(12)를 통하여 배터리(14)를 충전한다. 제어장치(16)는 충전된 배터리(14)로부터의 전력을 이용하여 모터(18)를 최적의 상태로 구동하며, 모터(18)에서 발생한 동력(회전력)이 구동바퀴(19)에 전달되어 차량을 움직이게 되는 것이다.

전술한 바와 같은 내연기관 차량이나 전기 자동차 모두 차량의 감속은 기계적인 장치를 사용하며 운전자가 브레이크 페달을 밟음에 따라서 기계적인 마찰력에 의하여 감속되도록 구성되어 있다. 이러한 구성에서는 자동차의 운동에너지가 감속시에 마찰에 의하여 열에너지로 변화하므로, 에너지가 낭비되어 차량의 연비를 저하시킨다. 더욱이, 전기자동차에서는 1회의 충전으로 주행할 수 있는 거리가 전기자동차의 실용화에 아주 중요한 관건이므로, 이러한 연비의 저하를 방지하고 연비를 향상시킬 필요성이 더욱 절실한 것이다. 또한, 전술한 바와 같이 기계적인 마찰에 의하여 차량을 감속시키는 방식은 마찰에 의하여 미세한 분말이 발생하는데 이것 역시 공해물질로서 문제가 되고 있는 바, 이를 방지하기 위한 방안이 필요하다.

본 발명의 목적은 전술한 바와 같은 기존의 감속시스템의 문제점을 해결한 새로운 감속 및 충전 시스템을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 감속시에 감소하는 운동에너지를 전기에너지로 변환시켜서 배터리에 보관하였다가 추후 사용함으로써 내연 기관 차량의 경우 내연 기관이 발전기를 회전시킬 필요가 없게 되므로 연비를 향상시키고, 전기 자동차에서 1회 충전으로 주행할 수 있는 거리를 개선시킬 수 있는 새로운 감속 및 충전 시스템을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 사용자가 브레이크 페달을 밟는 정도에 따라서 감속정도가 결정되고 동시에 전기에너지의 발생량이 결정되도록 함으로써, 운전자가 기존의 기계적인 마찰을 이용한 브레이크시스템과 완전히 동일하게 조작할 수 있는 새로운 차량용 감속 및 충전시스템을 제공하는 것이다.

도 1은 전기 자동차의 구성을 도시하는 블록도.

도 2는 본 발명에 따른 차량용 감속 및 충전 시스템의 하나의 실시예의 구성을 도시하는 블록도.

도 3은 본 발명에 따는 차량용 감속 및 충전 시스템에서 사용할 수 있는 배터리 시스템의 일례를 도시하는 블록도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞

21: 브레이크 페달 입력 22: 부하제어부

23: 발전기/모터 24: 구동 바퀴

25: 배터리 제어부 26: 배터리

발전기는 그 구조에 따라서 다양한 종류로 구분되지만 근본적으로는 모두 자기장 속에서 도선을 회전시켜서 자기 유도 작용에 의하여 기전력을 발생시키는 장치이다. 이때 발생하는 기전력은 다음과 같은 수학식 1로 표현된다.

e = B*L*V

여기서 e는 발생한 기전력(volt)을 나타내고, B는 도선을 수직으로 지나가는 자속 밀도(Wb/m2)를 나타내며, V는 도선의 움직이는 속도(m/s)를 나타낸다. 따라서, 여기서 자속 밀도 B를 증가시킨다면, 발생하는 기전력의 크기 e를 증가시킬 수 있을 것이며, 이때 도선을 회전시키기 위해서는 더욱 강한 힘이 필요하게 된다. 따라서, 자동차의 구동 바퀴와 발전기의 회전자를 연결시켜서 회전자를 회전시키는 경우에, 상기 발전기의 내부의 자속 밀도를 증가시킨다면, 발전기에서 발생하는 기전력은 증가할 것이며, 회전자의 회전속도는 감소하고 이와 연결된 바퀴의 회전 속도 역시 감소할 것이다. 이를 에너지의 측면에서 설명하자면, 자동차의 운동에너지가 전기에너지로 변화하면서 자동차의 속도는 감소한다고 말할 수 있을 것이다. 이렇듯이, 발전기의 자속 밀도를 변화시켜서 발전기가 운동 에너지를 전기 에너지로 변화시키는 속도를 제어할 수 있을 것이며, 이는 자동차의 감속 정도와 발전기에 발생하는 전기 에너지의 양을 제어할 수 있음을 의미한다. 본 발명은 이러한 원리에 착안하여 발전기가 자동차의 운동에너지를 전기에너지로 변화시키는 것을 제어하여 차량의 감속 및 배터리의 충전이 동시에 이루어지도록 하는 차량용 감속 및 충전시스템을 구현하고자 하는 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 감속 및 충전 장치의 하나의 실시예를 도시하는 도면이다. 차량의 운행 중에 운전자가 브레이크 페달(21)을 밟으면, 부하제어부(22)에서 이를 감지하여 운전자가 브레이크 페달(21)을 밟는 정도에 따라서 발전기(23)의 계자 코일에 흐르는 전류의 양을 증가시킨다. 발전기(23)의 계자 코일에 흐르는 전류의 양이 증가하면 발전기(23)의 내부의 자속 밀도가 증가하게 되므로 발전기(23)의 회전자를 회전시키기 위해서는 더욱 큰 힘이 필요하게 되며 -즉, 발전기의 부하가 증가함-, 이에 따라서 발전기(23)의 회전자와 기계적으로 연결되어 있는 자동차의 구동 바퀴(24)의 회전 속도가 감소하게 된다. 이와 동시에 수학식 1에 의하여 발전기(23)에서 발생하는 기전력이 증가할 것이며 이를 이용하여 배터리 제어부(25)에서 배터리(26)를 충전한다.

상기와 같은 도 2의 실시예를 실제로 운전자가 차량을 운전한다고 가정하고 설명하면 다음과 같다. 즉, 차량을 가속하는 경우나 정속 주행시에는 운전자가 브레이크(21)를 밟지 않으므로 부하제어부(22)에서는 발전기(23)의 계자 코일에 전류를 공급하지 않으며, 따라서 발전기(23) 내부에 자기장이 발생하지 않으므로 아무런 기전력도 발생하지 않을 것이며 동시에 발전기(23)는 바퀴(24)의 회전에 아무런 부하도 인가하지 않을 것이다. 운전자가 브레이크 페달(21)을 밟는다면, 부하제어부(22)에서는 이를 감지하여 발전기(23)의 계자 코일에 전류가 흐르도록 할 것이며, 이에 따라서 발전기(23)의 내부에 자기장이 발생하게 된다. 따라서, 자기장 속을 회전하고 있는 회전자에는 상기 회전을 방해하는 힘이 생길 것이므로 이와 연결되어 있는 구동 바퀴(24)의 회전 속도가 감소할 것이며, 이때 발전기(23)에서 발생하는 기전력을 이용하여 배터리 제어부(25)에서 배터리(26)를 충전하는 것이다. 부하 제어부(22)는 사용자가 브레이크 페달(21)을 밟는 것을 감지하여 발전기(23)의 계자 코일에 전류가 흐르도록 하여 결국 차량을 감속시키는데, 이때 기계적인 마찰에 의해 감속시키는 종래의 브레이크 시스템과 동일한 감각으로 운전자가 브레이크를 조작할 수 있도록 발전기(23)의 계자 코일에 흐르는 전류를 조절할 수도 있다. 즉, 종래의 브레이크 시스템의 페달을 밟은 경우와 같은 정도로 자동차를 감속시킬 수 있다. 이렇게 한다면, 기계적인 마찰에 의해 감속시키는 종래의 브레이크 시스템을 장착한 차량을 운전하는 것과 동일한 운전 요령으로 운전자가 본 발명의 감속 및 충전 장치를 부착한 차량을 운전할 수 있을 것이다.

부하제어부(22)에서 운전자가 브레이크 페달(21)을 밟는 세기를 감지하는 방법은 종래의 브레이크 시스템의 브레이크 페달에 위치 센서를 부착하여 알아내는 등의 다양한 방법이 있을 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다.

하나의 발전기에서 계자 코일에 흐르는 전류를 증가시켜도 충분한 감속력을 얻기가 어렵다면, 발전기를 다수 설치하는 것도 가능하다. 즉, 구동바퀴(24)와 기계적으로 회전자가 연결되어 있는 발전기를 다수 설치하고, 운전자가 브레이크 페달을 밟는 정도에 따라서, 계자 코일에 전류가 공급되는 발전기의 개수를 증가시켜서 감속력을 증가시킬 수도 있다.

도 3은 발전기에서 발생하는 기전력이 증가함에 따라서 더 많은 배터리를 충전시킬 수 있도록 배터리를 연결한 것을 도시하는 도면이다. 일반적으로 배터리는 정전압으로 충전되는 것이 바람직하므로, 발전기에서 높은 전압이 발생하는 경우에는 이를, 도 3에 도시된 바와 같이 직렬로 연결된 여러개의 배터리를 충전하는데 사용하는 것이다. 즉, 발전기에서 발생한 전압에 따라서 배터리 제어부(25)에서 서로 직렬로 연결된 배터리(36 내지 39) 각각의 양극과 음극을 연결하는 스위치(31 내지 33)를 제어하여 항상 최적의 개수가 충전되도록 하는 것이다. 예를 들어서, 발전기에서 발생한 전압이 낮다면, 스위치(31 내지 33)를 단락시켜서 하나의 배터리(36)만이 충전되도록 하고, 발전기에서 발생한 전압이 높다면, 스위치(31 내지 33)를 전부 개방시켜서 모든 배터리가 충전되도록 하는 것이다.

도 3에서는 배터리를 직렬로 연결시켜서 발전기에서 발생한 전압에 따라서 충전되는 배터리의 수를 변화시켰지만, 다른 실시예에서는 발전기에서 발생하는 전압을 변압기등을 써서 감압시키고, 병렬로 연결된 배터리의 개수를 조절하면서 충전하는 것도 가능하다.

본 발명의 또 다른 실시예에서는, 도 2에 발전기(23)이 모터(23)로서도 동작하도록 도시된 바와 같이, 발전기와 모터는 그 구조가 동일하다는 사실에 착안하여 전기 자동차에서 사용되는 모터(23)와 발전기(23)를 결합시킨 차량용 충전 및 감속 시스템을 제공한다. 즉, 가속시나 정속 주행시에는 모터로서 작동하며 감속시에는 발전기로서 작동하는 것이다. 이를 좀더 상세히 설명하자면, 가속시나 정속 주행시에는 운전자가 브레이크 페달(21)을 밟지 않더라도 부하제어부(22)에서 계자 코일에 전류를 공급하여 모터(23) 내부에 자기장이 발생되도록 하고, 도 2의 화살표(28)로 도시된 바와 같이 배터리 제어부(25)에서는 배터리(26)의 전류를 모터(23)의 전기자에 공급하여 구동바퀴(24)를 회전시킨다. 또한, 감속시에는 운전자가 브레이크 페달을 밟는 정도에 따라서 부하 제어부(22)에서 발전기(23)의 계자 코일에 전류를 공급하여 구동 바퀴(24)의 회전을 감소시키고, 도 2의 화살표(27)로 도시된 바와 같이 배터리 제어부(25)에서 발전기에서 발생한 전기 에너지로 배터리를 충전시킨다. 이러한 구조에 따르면 전기 자동차에서 구동용 모터와 감속 및 충전용 발전기를 하나로 결합시킴으로써, 전기 자동차의 구조를 간단히 할 수 있다. 가속 및 정속 주행시에 모터(23)에 전력을 공급하는 배터리와 감속시에 발전기에서 발생하는 전력을 공급받아서 충전되는 배터리를 별개로 하여 배터리의 성능 및 수명 향상을 도모할 수도 있다.

전술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따르면, 종래의 자동차에서 감속시에 열에너지로 낭비되는 운동 에너지를 전기 에너지로 바꾸어 배터리를 충전시킴으로써 차량의 연비를 향상시킬 수 있으며, 전기 자동차에서는 1회의 배터리 충전으로 주행하는 거리를 연장할 수 있다. 또한, 운전자가 브레이크 페달을 밟는 정도에 따라서, 발전기가 운동에너지를 전기에너지로 변화시키는 비율을 제어함으로써, 운전자가 마찰에 의하여 감속시키는 종래의 브레이크 시스템과 동일한 제동 요령으로 제동할 수 있도록 할 수 있다. 또한, 전기 자동차에서 구동용 모터와 감속 및 충전용 발전기를 하나로 결합시킴으로써, 전기 자동차의 구조를 간단히 할 수 있다..

본 발명이 구체적인 실시예와 함께 설명되었지만, 전술한 설명에 비추어서 본 발명의 기술적 범위를 벗어나지 않고도 많은 변형 등이 가능하다는 것이 당업계의 기술자라면 명백하게 이해될 것이다. 따라서, 본 발명은 어떠한 방식으로든 상술한 특정한 실시예에 국한되는 것이 아니며 다음의 청구 범위 및 그 균등물에 의해서만 결정된다는 점이 이해될 것이다.

Claims (21)

1. 차량용 감속 및 충전 시스템에 있어서,

   차량의 구동용 회전축에 회전자가 연결되어 상기 회전축이 회전함에 따라 전기 에너지를 발생시키는 발전기,

   상기 발전기의 상기 회전자의 회전을 방해하도록 상기 회전자에 인가되는 부하를 제어함으로써 차량의 감속 및 상기 발전기에서 발생하는 전기에너지의 양 -상기 차량이 급히 감속할수록 상기 발생하는 전기 에너지의 양은 증가함-을 제어하는 부하제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 감속 및 충전 시스템.
2. 제1항에 있어서,

   상기 부하제어부는 상기 발전기의 자속 밀도를 변화시켜서 상기 회전자에 인가되는 부하를 제어하는 것을 특징으로 하는 차량용 감속 및 충전 시스템.
3. 제2항에 있어서,

   상기 부하제어부는 운전자가 브레이크 페달을 밟는 정도에 따라서 상기 발전기 내부의 자속 밀도를 변화시키는 것을 특징으로 하는 차량용 감속 및 충전 시스템.
4. 제2항에 있어서,

   상기 부하제어부는 상기 발전기의 계자 코일(field coil)에 흐르는 전류를 제어하여 상기 발전기 내부의 자속 밀도를 변화시키는 것을 특징으로 하는 차량용 감속 및 충전 시스템.
5. 제4항에 있어서,

   상기 부하제어부는 운전자가 브레이크 페달을 밟는 정도에 따라서 상기 발전기의 상기 계자 코일에 흐르는 전류를 제어하는 것을 특징으로 하는 차량용 감속 및 충전 시스템.
6. 제1항의 차량용 감속 및 충전 시스템에 있어서,

   서로 직렬로 연결되며 상기 발전기에서 발생되는 전기에너지로 충전되는 다수의 배터리를 더 포함하며, 상기 다수의 배터리 각각의 양극 및 음극 단자는 스위치로 연결되어 상기 발전기에서 발생되는 전압에 따라서 상기 다수의 배터리 중에서 충전되는 배터리의 개수가 변화하는 것을 특징으로 하는 차량용 감속 및 충전 시스템.
7. 제1항에 있어서,

   상기 발전기는 감속시 이외에는 전동기(motor)로서 작동하는 것을 특징으로 하는 차량용 감속 및 충전 시스템.
8. 전기 자동차에 있어서,

   자동차의 구동용 회전축에 회전자가 연결되어 상기 회전축에 회전함에 따라 전기에너지를 발생시키는 발전기,

   상기 발전기의 상기 회전자의 회전을 방해하도록 상기 회전자에 인가되는 부하를 제어함으로써 차량의 감속 및 상기 발전기에서 발생하는 전기에너지의 양 -상기 차량이 급히 감속할수록 상기 발생하는 전기 에너지의 양은 증가함-을 제어하는 부하제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차.
9. 제8항에 있어서,

   상기 부하제어부는 상기 발전기 내부의 자속 밀도를 변화시켜서 상기 회전자에 인가되는 부하를 제어하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차.
10. 제9항에 있어서,

    상기 부하제어부는 운전자가 브레이크 페달을 밟는 정도에 따라서 상기 발전기 내부의 자속 밀도를 변화시키는 것을 특징으로 하는 전기 자동차.
11. 제9항에 있어서,

    상기 부하제어부는 상기 발전기의 계자 코일에 흐르는 전류를 제어하여 상기 발전기 내부의 자속 밀도를 변화시키는 것을 특징으로 하는 전기 자동차.
12. 제11항에 있어서,

    상기 부하제어부는 운전자가 브레이크페달을 밟는 정도에 따라서 상기 발전기의 상기 계자 코일에 흐르는 전류를 제어하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차.
13. 제8항의 전기자동차에 있어서,

    서로 직렬로 연결되며 상기 발전기에서 발생되는 전기에너지로 충전되는 다수의 배터리를 더 포함하며, 상기 다수의 배터리 각각의 양극 및 음극 단자는 스위치로 연결되어 상기 발전기에서 발생되는 전압에 따라서 상기 다수의 배터리 중에서 충전되는 배터리의 개수가 변화하는 것을 특징으로 하는 전기자동차.
14. 제8항에 있어서,

    상기 발전기는 감속하는 경우 이외에는 전동기(motor)로서 작동하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차.
15. 차량용 감속 및 충전 방법에 있어서,

    발전기의 회전자가 차량의 구동용 회전축에 연결되어 상기 회전축에 회전함에 따라 전기 에너지를 발생시키며,

    상기 발전기의 상기 회전자의 회전을 방해하도록 상기 회전자에 인가되는 부하를 제어함으로써 차량의 감속 및 상기 발전기에서 발생하는 전기에너지의 양 -상기 차량이 급히 감속할수록 상기 발생하는 전기 에너지의 양은 증가함-을 제어하는 것을 특징으로 하는 차량용 감속 및 충전 방법.
16. 제15항에 있어서,

    상기 발전기의 자속 밀도를 변화시켜서 상기 회전축자에 인가되는 부하를 제어하는 것을 특징으로 하는 차량용 감속 및 충전 방법.
17. 제16항에 있어서,

    운전자가 브레이크 페달을 밟는 정도에 따라서 상기 발전기의 자속 밀도를 변화시키는 것을 특징으로 하는 차량용 감속 및 충전 방법.
18. 제16항에 있어서,

    상기 발전기의 계자 코일에 흐르는 전류를 제어하여 상기 발전기의 자속 밀도를 변화시키는 것을 특징으로 하는 차량용 감속 및 충전 방법.
19. 제18항에 있어서,

    운전자가 브레이크 페달을 밟는 정도에 따라서 상기 발전기의 상기 계자 코일에 흐르는 전류를 제어하는 것을 특징으로 하는 차량용 감속 및 충전 방법.
20. 제15항에 있어서,

    다수의 배터리를 서로 직렬로 연결하고 상기 발전기에서 발생되는 전기 에너지로 충전하며, 상기 다수의 배터리 각각의 양극 및 음극 단자를 스위치로 연결하여 상기 발전기에서 발생되는 전압에 따라서 상기 다수의 배터리 중에서 충전되는 배터리의 개수가 변화하도록 하는 것을 특징으로 하는 차량용 감속 및 충전 방법.
21. 제15항에 있어서,

    상기 발전기는 감속시 이외에는 전동기(motor)로서 작동하는 것을 특징으로 하는 차량용 감속 및 충전 방법.