KR20060060790A - 하이브리드 전기 차량의 변속장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하이브리드 전기 차량의 변속장치로 구성되는 모터의 제어 정밀도 및 응답특성을 개선하여 변속 승차감을 향상시키며, 내구성을 증대시킬 수 있는 하이브리드 전기 차량의 변속장치에 관한 것으로, 엔진측에 기계적으로 연결되어 구동됨에 따라 1차측의 기계적 회전 주파수를 발생하며, 하이브리드 전기 차량 운전용으로 사용되는 제1 모터와; 제1 모터와 감속기측 사이에서 상호 기계적으로 연결되고, 제1 모터의 구동에 동기 구동되어 2차측의 기계적 회전 주파수를 발생하며, 변속기 기능을 하도록 토크를 전달하는 제2 모터를 포함하여 구성하며, 제2 모터와 슬립링을 통해 전기적으로 회로 연결되는 모터 제어기를 통해 제2 모터의 구동을 제어함으로써 제2 모터의 입출력 속도비를 제어하여 변속비 제어동작을 수행하고, 제2 모터를 감속기에 장착하여 기계적인 접촉없이 변속비를 제어하여 토크 전달을 수행한다.

하이브리드, 전기, 차량, 모터, 변속장치

Description

하이브리드 전기 차량의 변속장치{TRANSMISSION OF HYBRID ELECTRIC VEHICLE}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 전기 차량의 변속장치의 구성을 도시한 도면.

도 2와 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 전기 차량의 변속 신호 흐름을 도시한 도면.

본 발명은 하이브리드 전기 차량의 변속장치에 관한 것이다.

통상적으로, 하이브리드 전기 차량(HEV)은 기존의 내연기관 차량과는 달리 엔진과 모터의 두 가지 동력원을 사용하므로 변속 시 두 동력원과 변속장치간의 적절한 제어를 통하여 기본적인 변속 기능 및 부드러운 변속 구현 등의 하이브리드 전기 차량 동력 전달계 전용의 변속 제어 기법의 개발이 필요하다.

기존의 하이브리드 전기 차량용 동력 전달계로 널리 채용되고 있는 방식은 엔진과 모터를 작동 중 분리할 수가 없기 때문에 전기 차량 모드를 구현할 수 없으며, 회생 제동시에도 엔진의 관성 및 마찰 부하가 그대로 적용되므로 효율이 저하 될 수밖에 없다.

특히 클러치에 엔진과 모터의 동력이 모두 전달되므로 클러치의 토크 전달 용량이 매우 커지며 이에 따라 저속 시 클러치 결합 토크 확보를 위해 일정 수준 이상의 유압 펌프를 필요로 하며 이는 차량 전체의 효율을 낮추게 되는 주요 요인이 된다.

이런 문제점으로 인하여 변속기를 기계식 유압을 이용한 무단 변속기(CVT)로 채용하기도 한다.

이러한 경우 무단 변속기 자체가 토크 전달 용량이 낮으므로 중형 승용차 이상 급에 이를 적용하기는 매우 어렵고, 유압 제어 필요 및 기계적 접촉을 통한 토크 전달로 인한 저효율 유압 제어의 응답특성 제어가 어려운 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 하이브리드 전기 차량의 변속장치로 구성되는 모터의 제어 정밀도 및 응답특성을 개선하여 변속 승차감을 향상시키며, 내구성을 증대시킬 수 있는 하이브리드 전기 차량의 변속장치를 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 하이브리드 전기 차량의 변속장치에 있어서, 엔진측에 기계적으로 연결되어 구동됨에 따라 1차측의 기계적 회전 주파수를 발생하며, 하이브리드 전기 차량 운전용으로 사용되는 제1 모터와; 상기 제1 모터와 감속기측 사이에서 상호 기계적으로 연결되고, 상기 제1 모터의 구동에 동기 구동되어 2차측의 기계적 회전 주파수를 발생하며, 변속기 기능을 하도 록 토크를 전달하는 제2 모터를 포함하여 구성하며, 상기 제2 모터와 슬립링을 통해 전기적으로 회로 연결되는 모터 제어기를 통해 상기 제2 모터의 구동을 제어함으로써 상기 제2 모터의 입출력 속도비를 제어하여 변속비 제어동작을 수행하고, 상기 제2 모터를 감속기에 장착하여 기계적인 접촉없이 변속비를 제어하여 토크 전달을 수행하는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명 및 첨부 도면과 같은 많은 특정 상세들이 본 발명의 보다 전반적인 이해를 제공하기 위해 나타나 있으나, 이들 특정 상세들은 본 발명의 설명을 위해 예시한 것으로 본 발명이 그들에 한정됨을 의미하는 것은 아니다. 그리고 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 전기 차량의 변속장치의 구성을 도시한 도면이며, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 전기 차량의 변속장치 구성요소간의 신호 흐름을 도시한 도면이다.

도 1과 도 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 전기 차량의 변속장치의 구성을 설명한다.

본 발명의 실시예는 하이브리드 전기 차량의 변속장치에 있어서, 제1 모터(110), 제2 모터(120)를 포함하여 구성하며, 제2 모터(120)와 슬립링을 통해 전기적으로 회로 연결되는 모터 제어기를 통해 제2 모터(120)의 구동을 제어함으로써 제2 모터(120)의 입출력 속도비를 제어하여 변속비 제어동작을 수행하고, 제2 모터 (120)를 감속기에 장착하여 기계적인 접촉없이 변속비를 제어하여 토크 전달을 수행한다.

제1 모터(110)는 엔진측에 기계적으로 연결되어 구동됨에 따라 1차측의 기계적 회전 주파수()를 발생하며, 하이브리드 전기 차량 운전용으로 사용된다.

제2 모터(120)는 제1 모터(110)와 감속기측 사이에서 상호 기계적으로 연결되고, 제1 모터(110)의 구동에 동기 구동되어 2차측의 기계적 회전 주파수()를 발생하며, 변속기 기능을 하도록 토크를 전달한다.

모터 제어기는 제2 모터(120)에서 발생되는 2차측 기계적 회전 주파수와 모터 제어기에서 인가되는 전류의 주파수()의 합과 제1 모터(110)에서 발생되는 1차측 기계적 회전 주파수의 차이값이 0이 되도록 제어한다.

= 1차측(엔진측)의 기계적 회전 주파수

= 2차측(감속기측)의 기계적 회전 주파수

= 모터 제어기에서 인가되는 전류의 주파수

는 외부에서 바라볼 때 실제 공간에 형성되는 전자기파의 주파수가 된다.

이러한 주파수와 1차측의 기계적 회전 주파수인 의 차는 동기 모터에서 항상 0이 되도록 제어된다.

이는 일반적인 동기 모터에서 일정한 토크를 제어하기 위해서 회전자의 기계적 회전 주파수와 고정자의 전기적 회전 주파수가 항상 일치하도록 제어하는 방식에 따른다.

이때 1차측과 2차측의 변속비에 의해서 모터 제어기에서 출력되는 전류의 주 파수는 [수학식 1]과 같다.

....[수학식 1]

이렇게 결정된 주파수로 모터 제어기에서 인가해야 할 전류의 주파수는 결정되며, 엔진에서 출력하는 토크 크기에 따라서 전류의 크기는 결정된다.

한편, 본 발명의 실시예는 도 2에 도시된 바와 같이 속도 제어기, 토크 제어기, 전류 제어기, 인버터를 더 포함하여 구성한다.

속도 제어기는 변속비에 의한 속도 제어를 위해 토크 지령을 발생시키는 기능을 한다.

속도 제어기는 피아이(PI) 타입 제어기로 구성한다.

토크 제어기는 속도 제어기로부터 발생되는 토크 지령을 해당되는 모터의 전류 지령치로 변환시킨다.

전류 제어기는 토크 제어기를 통해 변환된 전류 지령치를 실제 전압으로 모터에 공급하도록 전류를 제어하는 기능을 한다.

인버터는 도 2에 도시된 바와 같이 전류 제어기와 모터 사이에 전기적으로 회로 연결되어 전압 지령에 따라 전압을 발생하는 기능을 한다.

상기한 바와 같이 본 발명의 실시예는 모터를 이용한 하이브리드 전기 차량(HEV)용 무단 변속기에 관한 것으로, 변속비 제어는 모터 제어를 통한 입출력 속도비의 제어로 이루어지며, 토크 전달은 기계적인 접촉없이 변속비를 제어하여 이루어진다.

그리고, 본 발명의 실시예에 따른 변속장치는 배터리를 통한 에너지 공급이 필요하므로 메인 배터리가 장착된 하이브리드 전기 차량(HEV)용에 적합하다.

본 발명의 실시예에 따른 시스템은 2륜 구동의 하이브리드 전기 차량(2WD HEV)에 적용하는 시스템이며, 전륜에 모터가 2개 들어가 하이브리드 전기 차량(HEV) 모터는 하이브리드 전기 차량(HEV) 운전을 위해서 주로 사용할 수 있다.

그리고, 나머지 모터는 변속기 역할을 하며 토크를 전달하도록 사용한다.

감속기에 고정자가 없는 모터를 이용하여 감속 및 토크를 전달하도록 토크 전달 및 변속을 위한 알고리듬을 구체적으로 제안한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 전기 차량의 변속 신호 흐름을 도시한 흐름도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 전기 차량의 변속장치의 동작을 설명한다.

먼저, 운전자의 가속 지령에 의해서 결정되는 엔진 출력 토크는 변속기를 통해서 차량의 드라이브 샤프트로 전달됨을 가정한다.

이때 엔진의 속도와 차량 속도에 따른 드라이브 샤프트의 회전속도의 비에 따라서 변속비는 결정되며 무단 변속기(CVT)의 경우에는 엔진의 출력에 따라 적절 히 변속비를 제어해야 한다.

이렇게 변속비가 결정되면 변속비 제어를 위해서 엔진측의 속도를 도 2에 도시된 바와 같은 제어 블록을 통해서 제어할 수 있다(S310).

변속비에 의해서 결정된 엔진측 속도 지령은 측정된 속도를 피드백(Feedback) 받아 그 차이를 일반적인 피아이(PI) 제어기로 구성되어 있는 속도 제어기로 입력되며, 속도 제어기는 속도 제어를 위한 토크 지령을 발생시킨다(S312, S314).

토크 지령은 토크 제어기에 의해서 그에 해당되는 모터의 전류 지령치로 변환되며 이렇게 생성된 전류 지령은 좌표변환을 통해서 정현파 모양을 갖는 3상 전류 지령으로 변환될 수 있다(S316~S320).

이때 좌표변환에 사용되는 좌표는 2차측을 기준으로 1차측 자석의 상대적 위치다.

이러한 전류 지령은 일반적인 피아이(PI) 제어기에 의해서 전류가 제어될 수 있으며 전류 제어를 위해서는 인버터를 통해서 전류 제어기 출력치인 전압 지령이 실제 전압으로 모터에 인가되어야 한다(S322).

전류 피드백(Feedback)은 모터의 상전류를 센싱하여 피아이(PI) 타입(Type) 전류 제어기로 입력된다.

일반적인 가속인 경우, 엔진 토크는 +값을 유지하며 일정한 변속비를 유지하기 위해서 모터는 토크를 유지해야 한다.

이때 차량에 전달되는 토크는 +값을 갖게 되며 이 토크에 대해서 발생된 토 크는 차량의 주행저항에 의한 부하를 뺀 나머지가 실제 차량 가속을 위해서 차량에 인가되며 이에 따라 차속이 증가한다(S324, S326).

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 하이브리드 전기 차량의 변속장치는 모터 제어를 통한 제어 정밀도 및 응답특성 개선으로 승차감을 향상시킬 수 있다.

또한, 무단 변속기의 유압 제어부분을 삭제하고 모터 제어기로 대체하여 클러치 및 기계식 벨트부를 삭제함으로 정비성을 향상시킬 수 있으며, 기계적인 접촉을 원천적으로 차단함으로 내구성을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 하이브리드 전기 차량의 변속장치에 있어서,

   엔진측에 기계적으로 연결되어 구동됨에 따라 1차측의 기계적 회전 주파수를 발생하며, 하이브리드 전기 차량 운전용으로 사용되는 제1 모터와;

   상기 제1 모터와 감속기측 사이에서 상호 기계적으로 연결되고, 상기 제1 모터의 구동에 동기 구동되어 2차측의 기계적 회전 주파수를 발생하며, 변속기 기능을 하도록 토크를 전달하는 제2 모터를 포함하여 구성하며,

   상기 제2 모터와 슬립링을 통해 전기적으로 회로 연결되는 모터 제어기를 통해 상기 제2 모터의 구동을 제어함으로써 상기 제2 모터의 입출력 속도비를 제어하여 변속비 제어동작을 수행하고, 상기 제2 모터를 감속기에 장착하여 기계적인 접촉없이 변속비를 제어하여 토크 전달을 수행하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 차량의 변속장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 모터 제어기는 상기 제2 모터에서 발생되는 2차측 기계적 회전 주파수와 상기 모터 제어기에서 인가되는 전류의 주파수의 합과 상기 제1 모터에서 발생되는 1차측 기계적 회전 주파수의 차이값이 0이 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 차량의 변속장치.
3. 제2항에 있어서,

   변속비에 의한 속도 제어를 위해 토크 지령을 발생시키는 속도 제어기와;

   상기 속도 제어기로부터 발생되는 토크 지령을 해당되는 모터의 전류 지령치로 변환시키는 토크 제어기와;

   상기 토크 제어기를 통해 변환된 전류 지령치를 실제 전압으로 모터에 공급하도록 전류를 제어하는 전류 제어기를 더 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 차량의 변속장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 속도 제어기는 피아이(PI) 타입 제어기로 구성하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 차량의 변속장치.
5. 제3항에 있어서,

   상기 전류 제어기와 모터 사이에 전기적으로 회로 연결되어 전압 지령에 따라 전압을 발생하는 인버터를 더 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 차량의 변속장치.

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