KR20040005150A - 42ｖ 벨트 구동 일체형 발전기 및 스타터 모터 시스템이채용된 차량 - Google Patents

Abstract

42V 벨트 구동 일체형 발전기 및 스타터 모터 시스템이 채용된 차량이 개시된다. 개시된 42V 벨트 구동 일체형 발전기 및 스타터 모터 시스템이 채용된 차량은, 엔진과; 상기 엔진에 설치되어 상기 엔진을 시동하도록 작동하는 스타터와; 상기 엔진의 일측에 설치되어 상기 스타터를 작동시켜 차량의 초기 시동이 이루어지도록 하는 14V 스타터 모터와, 상기 엔진의 발전이 이루어지도록 하는 발전기가 일체형으로 이루어진 IGS와; 상기 엔진과 상기 IGS가 연결되어 구동되도록 구동력을 전달하는 벨트-풀리장치와; 상기 IGS와 연결되어 상기 IGS에 전원을 공급하는 42V용 배터리와; 상기 42V용 배터리와 상기 IGS에 연결되어 이들의 작동을 제어하는 42V 컨트롤러와; 상기 스타터에 전원을 공급하기 위해 설치된 12V 배터리와; 상기 42V 컨트롤러와 상기 12V 배터리에 연결되어 42V/14V로 각각 변환이 이루어질 수 있도록 구비된 DC/DC 컨버터;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 연비가 향상되고, 배기가스가 저감될 수 있어 배기가스 규제에 대응할 수 있으며, 차량의 편리성을 향상시킬 수 있고, 42V 전원 체계에 대한 배선 내압 설계 기초 기술을 확보할 수 있는 이점이 있다.

Description

42Ｖ 벨트 구동 일체형 발전기 및 스타터 모터 시스템이 채용된 차량{VEHICLE HAVING INTEGRATE GENERATOR AND STARTER MOTOR SYSTEM DRIVEN BY 42V BELT}

본 발명은 42V 벨트 구동 일체형 발전기 및 스타터 모터 시스템이 채용된 차량에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연비가 향상되고, 배기가스가 저감되며, 편리성이 증대되고, 원가절감이 이루어질 수 있도록 개선된 42V 벨트 구동 일체형 발전기 및 스타터 모터 시스템이 채용된 차량에 관한 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 앞으로 신기술들이 차량에 적용이 예상됨에 따라 현재 14V 시스템의 발전 용량이 부족하게 될 것으로 예상되고 있다.

그리고 도 2에 도시된 바와 같이, 예상되는 부하량 증가 및 현재 국내의 차량의 개략적인 소비 전력에 관한 분석은 다음과 같다. 현재 필드에 출시되고 있는 국내 차량의 소비전력도 선진업체의 고급 차량에서 소비하고 있는 전력과 비슷한 규모를 갖고 있음을 알 수 있으며, 조만간 신기술의 접목에 따라 발전량이 부족하게 될 수 있다는 사실을 예측할 수 있다.

또한 전력의 부족은 결국 알터네이터와 배터리의 용량 증대를 요구하며 와이어링(wiring)/하네스(harness)의 증대 및 차량의 중량 증가를 필요로 하게 된다

일반적으로, 14V계로 공급할 수 있는 최대 파워 용량은 약 2.5kW정도로 예측되고 있으며, 이 이상의 전력이 요구될 경우, 새로운 전원체계가 요구된다.

이를 위해 42V 전력 체계가 MIT공대 및 유럽 SICAN Bordnetz등을 위주로 1990년대부터 연구 개발되고 있으며, 구조적으로 하이브리드 전지자동차와 비슷한 구조를 갖는다고 할 수 있다.

따라서 이러한 구조로 인하여 선진 업체 및 국제 학술 단체에서는 42V 시스템 차량을 Mild-HEV(Hybrid Electric Vehicle) 혹은 Soft-HEV라고 부르고 있다.

42V 시스템 개발 필요성을 요약하면 다음과 같다.

우선, 내적 요인으로 신기술 부품 개발 적용이 확대되어 가고, 이에 따라 전기 소모량이 증가하고 있으며 예컨대, 12V 전원 한계는 약 2.5kW이다. 그리고 외적 요인으로는 연비 및 배기가스 규제 강화 또는 운전의 편의성 향상이 있다.

이와 같이 내적 및 외적 요인은 사용 전압 증대를 요구하고 있으며, 42V 차량 개발이 필요하게 된다. 이에 따라 발전 용량이 증대되고, 연비 개선이 가능이 예측될 수 있다.

한편, 현재의 차량은 14V 발전시스템을 채용하고 있으며 3상 교류 발전기에서 출력되는 교류 전압을 다이오드를 이용해 정류시키는(AC-to-DC 정류기) 구조의 시스템이다. 따라서, 발전 효율이 낮고(약 50%) 발전량도 약 2.5kW까지가 한계로 보고 있다.

그리고 현재 42V 시스템 차량은 도 3에 도시된 바와 같은, 도요다 THS-M(CROWN 3.0ℓ) 차량이 최초로 출시되어 판매되고 있다.

도시된 바와 같이, 기존 엔진 시스템에 사용되던 발전기 대신에 THS-M은 모터/발전기(MG)(11)를 사용하고, 36V 배터리(12)의 전원은 모터/발전기(11)가 운전 조건에 따른 기능에 따라 모터 혹은 발전기로서 동작한다.

그리고 상기 모터/발전기(11)는 아이들 스톱 모드(Idle Stop Mode)로 부터 엔진(13)을 재 기동하고, 엔진(13) 운전 중 필요에 따라 배터리에 에너지 저장할 수 있고, 차량 감속과 제동시 에너지를 회수할 수 있다. 또한 아이들 스톱모드시에어컨 시스템을 작동시킬 수 있어 차량 탑승자의 쾌적함을 제공할 수 있다.

그리고 아이들 스톱 모드에서는 엔진(13)이 정지하기 때문에 기계식 에어컨 컴프레셔(A/C compressor)(14)를 구동할 수 없다. 따라서 엔진(13)과 풀리 (Pulley)(15)사이에 전기 마그네틱 클러치(Electric Magnetic Clutch)(16)를 설치하여 아이들 스톱 모드에서 엔진(13)과 풀리(15)를 분리하고 모터/발전기(11)로 기계식 에어컨 컴프레셔(14)를 구동하여 차량 탑승자의 쾌적함을 유지한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 42V 차량을 개발하여 발전 용량이 증대되고, 연비가 향상될 수 있도록 하며, 배기가스 구제에 대응할 수 있도록 한 42V 벨트 구동 일체형 발전기 및 스타터 모터 시스템이 채용된 차량을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 앞으로 적용되는 차량에 적용될 예상 부하를 나타내 보인 개략적인 도면.

도 2는 부하 증가 예상 및 전장품 소비 전력 분포를 나타내 보인 그래프.

도 3은 본 발명과 비교되는 도요다 차량의 구성을 개략적으로 나타내 보인 도면.

도 4는 본 발명에 따른 42V 벨트 구동 일체형 발전기 및 스타터 모터 시스템이 채용된 차량의 구성을 개략적으로 나타내 보인 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

21. 엔진22. 스타터

23. IGS24. 벨트-풀리장치

25. 42V용 배터리26. 42V 컨트롤러

27. 12V 배터리28. DC/DC 컨버터

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 42V 벨트 구동 일체형 발전기 및 스타터 모터 시스템이 채용된 차량은, 엔진과; 상기 엔진에 설치되어 상기 엔진을 시동하도록 작동하는 스타터와; 상기 엔진의 일측에 설치되어 상기 스타터를 작동시켜 차량의 초기 시동이 이루어지도록 하는 14V 스타터 모터와, 상기 엔진의 발전이 이루어지도록 하는 발전기가 일체형으로 이루어진 IGS와; 상기 엔진과 상기 IGS가 연결되어 구동되도록 구동력을 전달하는 벨트-풀리장치와; 상기 IGS와 연결되어 상기 IGS에 전원을 공급하는 42V용 배터리와; 상기 42V용 배터리와 상기 IGS에 연결되어 이들의 작동을 제어하는 42V 컨트롤러와; 상기 스타터에 전원을 공급하기 위해 설치된 12V 배터리와; 상기 42V 컨트롤러와 상기 12V 배터리에 연결되어 42V/14V로 각각 변환이 이루어질 수 있도록 구비된 DC/DC 컨버터;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 4에는 본 발명에 따른 42V 벨트 구동 일체형 발전기 및 스타터 모터 시스템이 채용된 차량을 개략적으로 나타낸 구성도가 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 42V 벨트 구동 일체형 발전기 및 스타터 모터 시스템이 채용된 차량은, 엔진(21)과, 이 엔진(21)에 설치되어 엔진(21)을 시동하도록 작동하는 스타터(starter)(22)와, 상기 엔진(21)의 일측에 설치되어 스타터(22)를 작동시켜 차량의 초기 시동이 이루어지도록 하는 14V 스타터 모터와, 엔진(21)의 발전이 이루어지도록 하는 발전기가 일체형으로 이루어진 일체형 발전기 스타터 모터(Integrated Generator Starter; 이하, IGS라 함)(23)와, 상기 엔진(21)과 IGS(23)가 연결되어 구동되도록 구동력을 전달하는 벨트-풀리장치(24)와, 상기 IGS(23)와 연결되어 IGS(23)에 전원을 공급하는 42V용 배터리(25)와, 이 42V용 배터리(25)와 IGS(23)에 연결되어 이들의 작동을 제어하는 42V 컨트롤러(26)와, 상기 스타터(22)에 전원을 공급하기 위해 설치된 12V 배터리(27)와, 상기 42V 컨트롤러(26)와 12V 배터리(27)에 연결되어 42V에서 14V로 변환하거나 14V를 42V로 각각 변환이 이루어질 수 있도록 구비된 DC/DC 컨버터(28)를 포함하여 구성된다.

이러한 구성을 한 본 발명에 따른 차량에는 42V용 배터리(25) 및 42V 컨트롤러(26)에 연결 설치되어 작동되는 전동식 에어컨 시스템(29)과, 또한 상기 42V용 배터리(25) 및 42V 컨트롤러(26)에 연결 설치되어 작동되는 콘덴서 팬(condenser fan)(31)과, 라디에이터 팬(radiator fan)(32)이 구비된다.

상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 42V 벨트 구동 일체형 발전기 및 스타터 모터 시스템이 채용된 차량의 작용을 설명하면 다음과 같다.

설명에 앞서, 일반적으로 42V 시스템 차량은 2가지 구조로 표현할 수 있다. 첫번째 구조는 엔진과 변속기 사이에 42V 일체형 발전기 및 스타터를 장착하는 직결식, 두번째 구조는 현재 차량과 비슷한 구조로서 현 알터네이터 자리에 42V 일체형 발전기 및 스타터를 장착하는 구조로 분류된다.

따라서 본 발명의 차량은, 엔진과 변속기 사이에 모터/발전기를 장착하는 직결식에 비해 기구적인 고려가 쉬우며 현 차량의 최소 변경으로 42V 시스템을 구현할 수 있다.

그리고 본 발명의 차량은, 벨트 구동형 차량 개발 방안으로서 파워 트레인 (power train) 변경을 최소로 하고, 기존 하이브리드(hybrid) 차량에서 구현된 아이들 스톱 기능, 회생제동 및 동력 보조 기능을 구현할 수 있으며, 종래 차량의 알터네이터 위치에 벨트 구동형의 상기 IGS(23)를 체결한다. 이를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

전술한 바와 같은 도요다 차량은 전기 마그네틱 클러치(16)를 이용해 엔진(13)과 풀리(15) 사이의 동력을 차단하고 아이들 스톱시 기계식 에어컨 컴프레셔(14)를 작동시키고 있으나, 본 발명에 따른 42V 벨트 구동 일체형 발전기 및 스타터 모터 시스템 즉, IGS(23)가 채용된 차량은, 42V구동 전압으로 작동되는 전동식 에어컨 시스템(29)을 채택함으로써 기계식 에어컨 컴프레셔(14)보다 효율이 좋다.

또한, 차량에서 전력 소비가 많은 라디에이터 팬(32)의 모터와, 콘덴서 팬(31)의 모터를 42V화하여 이들 모터의 효율을 향상시켰다.

그리고 초기 기동은 14V용 스타터(22)를 이용해 냉시동을 수행하고, 아이들 스톱 및 고(Go) 기능이 구비되어 있다. 예컨대, 차량이 신호등에 대기할 경우 엔진(21)을 정지시켜 연료 소비를 억제하고, 다시 출발할 때에는 수백ms 이내에 아이들 속도를 회복한 후, 연료를 분사하는 기능이다. 이 기능을 사용하면 기동시 소음 및 진동을 감소시킬 수 있고, 연료의 농도를 높일 필요가 없어 연비 상승의 효과 및 공해 배출 감소의 효과를 얻을 수 있다.

또한 차량의 브레이크가 작동할 때 IGS(23)의 회생 운전을 통하여 배터리에 에너지를 저장하는 회생 브레이크 기능이 구비되어 있다. 이 기능으로 에너지 소비 절감 및 연비 향상의 효과를 얻을 수 있다.

그리고 차량이 가속할 때, 상기 IGS(23)를 전동기로 운전하여 토크를 발생시킴으로써 가속을 지원하는 동력 보조 기능이 구비된다. 이 기능을 사용하면 동일한 성능을 얻기 위해 작은 엔진(21)을 사용할 수 있는 장점이 있다.

또한 아이들 스톱에 의해 엔진(21)이 정지된 상황에서 엔진(21)을 재 시동할 때, 상기 IGS(23)를 이용해 엔진(21)을 시동시키고, 엔진(21) 운전중 필요에 따라 배터리에 에너지를 저장할 수 있다.

그리고 상기 전동식 에어컨 시스템(29)을 이용해 정지시에도 쾌적함을 유지할 수 있고, 상기 IGS(23) 적용으로 전력 효율을 향상시킬 수 있다. 또한 본 발명은, 연비 향상이 상기한 도요다 차량 수준(약 15%) 이상이고, 배기 가스 저감을 이룰 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 42V 벨트 구동 일체형 발전기 및 스타터 모터 시스템이 채용된 차량은 다음과 같은 효과를 갖는다.

연비가 향상되고, 배기가스가 저감될 수 있어 배기가스 규제에 대응할 수 있으며, 차량의 편리성을 향상시킬 수 있다.

그리고 42V 전원 체계에 대한 배선 내압 설계 기초 기술을 확보할 수 있고, 42V 발전시스템의 적용으로 다양한 기능의 차량 개발 가능하다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (2)

1. 엔진과;

   상기 엔진에 설치되어 상기 엔진을 시동하도록 작동하는 스타터와;

   상기 엔진의 일측에 설치되어 상기 스타터를 작동시켜 차량의 초기 시동이 이루어지도록 하는 14V 스타터 모터와, 상기 엔진의 발전이 이루어지도록 하는 발전기가 일체형으로 이루어진 IGS와;

   상기 엔진과 상기 IGS가 연결되어 구동되도록 구동력을 전달하는 벨트-풀리장치와;

   상기 IGS와 연결되어 상기 IGS에 전원을 공급하는 42V용 배터리와;

   상기 42V용 배터리와 상기 IGS에 연결되어 이들의 작동을 제어하는 42V 컨트롤러와;

   상기 스타터에 전원을 공급하기 위해 설치된 12V 배터리와;

   상기 42V 컨트롤러와 상기 12V 배터리에 연결되어 42V/14V로 각각 변환이 이루어질 수 있도록 구비된 DC/DC 컨버터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 42V 벨트 구동 일체형 발전기 및 스타터 모터 시스템이 채용된 차량.
2. 제1항에 있어서,

   상기 42V용 배터리 및 상기 42V 컨트롤러에 연결되어 차량에 설치되어 작동되는 전동식 에어컨 시스템과;

   상기 42V용 배터리 및 상기 42V 컨트롤러에 연결되어 차량에 설치되어 작동되는 콘덴서 팬과, 라디에이터 팬;을 더 포함하여 된 것을 특징으로 하는 42V 벨트 구동 일체형 발전기 및 스타터 모터 시스템이 채용된 차량.