KR20060108007A - 연료전지 전기자동차의 구동계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 전기자동차의 구동계에 관한 것으로, 모터의 구동력을 전달받아 양측 바퀴로 분배하면서 차동작용을 수행하는 차동기어(20)와, 이 차동기어(20)의 사이드기어(24)와 양측 바퀴를 연결하는 양측 드라이브샤프트(10)를 포함하는 연료전지 전기자동차의 구동계에 있어서, 상기 모터가 2개(MG1,MG2)로 구성되어 양측 드라이브샤프트(10) 상에 각각 장착되고, 각 모터(MG1,MG2)의 동력은 유성기어(30)를 매개로 상기 차동기어(20)에 전달되는 구조로 이루어진다.

따라서, 1개의 모터가 고장나도 소정의 안정성을 확보한 상태에서 운행의 지속이 가능하고, 차량측 및 바퀴측 구동 구조가 단순해지며, 차량의 지상고 확보와 중량 감소에 유리하고, 모터의 제어가 용이해질 뿐만 아니라 소요 비용도 절감되는 효과가 있다.

Description

연료전지 전기자동차의 구동계{driving system for fuel cell powered electric vehicels}

도 1은 종래 연료전지 전기자동차의 구동계를 도시한 도면,

도 2는 바퀴 안에 모터가 내장된 방식의 연료전지 전기자동차의 구동계를 도시한 도면,

도 3은 본 발명에 따른 연료전지 전기자동차 구동계의 개략 구성도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10 : 드라이브샤프트, 11 : 베어링,

12 : 출력축, 20 : 차동기어,

21 : 차동기어케이스, 22 : 피니언샤프트,

23 : (차동기어내)피니언기어, 24 : 사이드기어,

30 : 유성기어, 31 : 선기어,

32 : (유성기어내)피니언기어, 33 : 캐리어,

34 : 링기어.

본 발명은 연료전지로 모터를 작동시켜 차량을 구동하는 전기자동차의 구동계에 관한 것이다.

연료전지는 연료인 수소를 대기 중의 산소와 반응시켜 전기를 생산하는 발전장치로서, 부산물로서 수증기만이 발생되므로 청정성이 우수하고, 기술발전에 의해 소형화가 이루어짐으로써 점차 자동차의 동력원으로서 사용이 증가하고 있다.

즉, 기존의 전기자동차는 대용량의 배터리를 탑재하고, 이 배터리를 외부 전력으로 충전시켜 충전된 전력을 모터에 공급함으로써 차량을 주행하였으나, 연료전지 전기자동차는 수소탱크와 연료전지를 탑재하고 수소를 연료전지에 공급하여 직접 전력을 생산함으로써 이 생산된 전력을 모터에 공급하여 차량을 주행시키도록 된 것이다. 물론, 메이커에 따라서 연료전지만 탑재하기도 하고, 이에 더하여 보조전원으로서 배터리나 수퍼 캐페시터를 사용하기도 한다.

종래 연료전지 전기자동차 구동계의 일반적인 구성은 도 1에 도시된 바와 같다. 즉, 전력을 생산하는 연료전지(1)와, 이로부터 생산된 직류전류를 교류전류로 변환하는 인버터(2)와, 이로부터 전류를 공급받아 작동하는 모터(3)와, 모터(3)의 동력을 전달하는 프로펠러샤프트(4), 이로부터 동력을 입력받는 차동기어(5), 이 차동기어(5)로부터 양쪽 바퀴로 동력을 전달하는 드라이브샤프트(6) 등으로 구성된다.

그런데, 상기와 같은 연료전지 전기자동차는 단일모터를 사용함으로써 그 구조는 단순하나, 모터 이상 발생시 차량 운행이 불가능하고, 고용량이면서도 최대한 작은 크기의 모터를 사용해야 하므로 모터 가격이 고가이며, 최대한 작은 크기의 모터를 사용했더라도 하나의 모터를 사용하는 것이므로 모터의 크기가 클 수 밖에 없어 차체 지상고를 충분히 확보할 수 없게 되는 단점이 있었다.

한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 4개의 바퀴마다 내부에 소형 모터(3')가 설치되어 큰 공간을 차지하는 기구적인 부분(프로펠러샤프트)이 간소화됨과 더불어 각 바퀴를 독립적으로 제어할 수 있도록 된 형식도 있는데, 이 경우에는 4개의 모터를 통해 해당 바퀴를 직접 제어하므로 양호한 주행 특성을 보이지만 모터들 중 하나의 모터만 이상이 생겨도 해당 바퀴가 구동되지 않으므로 주행 성능 및 안전성이 크게 위협받게 되며, 전술한 바와 같이 차량의 하부구조는 단순해지지만 바퀴측의 구조는 매우 복잡해질 뿐만 아니라 각 모터를 효과적으로 제어하는 것이 그리 용이하지 않다는 단점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 단점들을 개선하기 위해 안출된 것으로, 단일모터형에 비하여 모터 중 1개가 고장나도 운행이 가능하고, 모터가 작아져 지상고 확보와 경량화에 유리하며, 비용이 절약되고, 구조가 단순화되는 한편, 인휠(in-wheel)방식의 복수 모터형에 비하여 모터 중 1개가 고장나도 해당 바퀴의 구동이 가능하고, 바퀴의 구조가 단순해지며, 상대적으로 제어가 용이하도록 된 연료전지 전기자동차의 구동계를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 모터의 구동력을 전달받아 양 측 바퀴로 분배하면서 차동작용을 수행하는 차동기어와, 이 차동기어의 사이드기어와 양측 바퀴를 연결하는 양측 드라이브샤프트를 포함하는 연료전지 전기자동차의 구동계에 있어서, 상기 모터가 2개로 구성되어 양측 드라이브샤프트 상에 각각 장착되고, 각 모터의 동력은 유성기어를 매개로 상기 차동기어에 전달되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 연료전지 전기자동차 구동계의 개략 구성도로서, 도시된 바와 같이 본 발명은 2개의 모터(MG1,MG2)가 각각 양측 바퀴의 드라이브샤프트(10) 상에 장착된다.(편의상 MG1측의 도번만 표기하고, MG2측의 도번은 생략한다.)

상기 모터(MG1,MG2)들은 중공형 모터로서 몸체 외측은 차체에 고정되고, 드라이브샤프트(10)가 몸체 중앙의 중공을 관통하도록 설치되며, 드라이브샤프트(10)와 몸체 내측부 사이에는 베어링(11)이 설치되어 차체에 고정된 모터(MG1,MG2)에 대해 드라이브샤프트(10)의 자유로운 회전이 가능하도록 되어 있다.

또한, 상기 모터(MG1,MG2)들은 양측 바퀴를 연결하는 차동기어(20)에 각각의 유성기어(30)를 통해 연결된다.

상기 유성기어(30)는 일반적인 구성과 동일하게 선기어(31)와 피니언기어(32), 이 피니언기어(32)들을 연결하는 캐리어(33) 및 링기어(34)로 이루어져 있으며, 상기 선기어(31)가 모터(MG1,MG2)의 출력축(12)에 장착되고, 상기 링기어(34)는 차체에 고정되며, 상기 캐리어(33)가 차동기어케이스(21)에 연결된다.

상기 차동기어(20) 역시 일반적인 구성으로 이루어진 것으로, 상기 차동기어케이스(21)와, 이 차동기어케이스(21)에 고정된 피니언샤프트(22), 이 피니언샤프트(22)의 양단에 고정된 한 쌍의 피니언기어(23), 이들 피니언기어(23)의 사이에 각각 치합되며 상기 드라이브샤프트(10)의 단부에 장착된 한 쌍의 사이드기어(24)로 구성된다.

이제, 본 발명 구동계의 작동을 설명한다.

연료전지(FC)에서 생산된 전력이 배터리(BAT)에 저장되고, 배터리(BAT)의 전력이 인버터(INV)에서 교류로 변환되어 상기 모터(MG1,MG2)로 공급된다.(이때, 각 모터(MG1,MG2)로 공급되는 전류를 제어하여 모터(MG1,MG2)의 작동을 제어하는 것은 모터제어유니트(MCU, 도시하지 않음)에 의해 이루어지며, 이 모터제어유니트(MCU)는 모터로 구동되는 전기자동차에서 무단변속 및 회생제동에 의한 배터리 충전 제어를 수행하는 전자제어유니트와 통합 구성될 수 있다.)

전류를 공급받아 모터(MG1,MG2)가 작동되면, 모터(MG1,MG2)의 출력축(12)이 상기 선기어(31)를 회전시키고, 이에 따라 피니언기어(32)가 차체에 고정된 링기어(34)의 내주면을 공전함으로써 캐리어(33)가 회전되며, 따라서, 캐리어(33)에 연결된 차동기어케이스(21)가 회전되고, 이와 함께 피니언샤프트(22), 피니언기어(23), 사이드기어(24)가 일체로 회전되면서 드라이브샤프트(10)를 회전시켜 바퀴에 동력을 전달하게 된다.

주행 중 선회시 양측 바퀴의 차동작용은 상기 차동기어(20)에 의해 정상적으로 이루어짐은 물론이다.

이와 같이, 본 발명에 따르면 연료전지(FC)에서 발생된 전력으로 모터(MG1,MG2)를 작동시켜 바퀴를 구동하는 연료전지 전기자동차에 있어서, 새로운 구성의 구동계가 제공된다.

전술한 바와 같이 본 발명은, 양측 드라이브샤프트(10)상에 장착되는 2개의 모터(MG1,MG2)로 작동되므로, 종래 단일모터형에 비하여 모터 1개가 고장나더라도 나머지 1개 모터에 의한 운행이 가능하다.

또한, 전체적으로 필요한 모터의 용량이 동일할 경우 단일모터의 경우보다 모터 자체의 크기 및 중량이 줄어듦으로써 차량의 지상고 확보와 차중 경량화에 보다 유리하게 되며, 모터가 받는 부하도 줄어들게 되어 모터의 개발이 용이해지고, 모터의 가격도 감소하게 된다.

또한, 모터의 동력을 차동기어에 전달하기 위해 사용되던 프로펠러샤프트와 같은 부피가 큰 부품이 사용되는 대신 차동기어에 근접 설치되는 한 쌍의 유성기어가 사용됨으로써 종래 프로펠러샤프트가 위치하던 차량 하부의 구조가 매우 간소화된다.

한편, 상기와 같은 이유에 의하여 본 발명은 종래 각 바퀴 내부에 독립적으로 제어되는 모터가 구비되던 경우에 비하여, 바퀴측 구조가 매우 단순하다.

또한, 모터가 1개 고장나더라도 그 출력만 줄어들 뿐 고장나지 않은 나머지 한 모터에 의하여 모터가 고장난 쪽의 바퀴도 구동할 수 있으므로 안전성이 상대적으로 향상된다.(MG1 또는 MG2 둘중의 한 모터가 고장나더라도 고장난 모터쪽의 드라이브샤프트는 사이드기어(24)를 매개로 피니언기어(23)에 치합되어 있고, 고장나 지 않은 모터에 의해 차동기어케이스(21)로 동력이 계속 전달되므로 차동기어(20) 전체가 일체회전되면서 드라이브샤프트를 매개로 고장난 모터쪽의 바퀴도 구동된다.)

그리고, 제어해야할 모터의 수가 적으므로 상대적으로 제어가 용이한 장점이 있다.

한편, 본 발명은 상기 모터(MG1,MG2) 제어를 통하여 종래 전기자동차와 같이 무단 변속을 구현할 수 있다. 따라서, 변속충격이 없는 부드러운 주행이 가능하고, 변속기와 그 주변 부품들과 같은 변속을 위한 별도의 구성이 필요 없으므로 시스템이 단순해짐으로써 차량 구조가 간단해지고 중량이 줄어들게 되며, 동력 손실 요인이 감소하여 연비 및 출력이 향상된다.

또한, 상기 모터는 단순한 모터가 아니라 Motor & Generator(따라서, MG로 약해서 표시하였음)로서, 주행중 모터로서 바퀴쪽으로 동력을 가할 필요가 없을 때는 발생된 회생제동에너지를 상기 인버터(INV)를 통해 직류로 변환하여 배터리(BAT)를 충전시킴으로써 추후 모터를 작동시키는 전원으로서 사용할 수 있음은 물론이다. 즉, 기존 연료전지 전기자동차로서의 기본적인 장점들은 모두 갖추고 있다.

한편, 상기 모터(MG1,MG2)와 드라이브샤프트(10) 사이에 설치되는 베어링(11)은 구름저항을 최소화하고 보다 안정적으로 하중을 지지할 수 있도록 니들롤러베어링을 사용하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 모터(MG1,MG2)는 3상 4극 AC모터로서 일반형 모터에 비하여 상 대적으로 지름을 크게 하여 가능한 짧은 길이로 제작함으로써 드라이브샤프트 상에 장착하기 용이하도록 한다.

또한, 모터(MG1,MG2)의 하우징은 자체발열에 의한 냉각효과를 높이고 무게를 감소시키기 위하여 알루미늄 합금강으로 제작하고 표면에 냉각핀을 형성할 수 있으며, 추가로 전용의 팬(fan)을 설치할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 1개의 모터가 고장나도 소정의 안정성을 확보한 상태에서 운행의 지속이 가능하고, 차량측 및 바퀴측 구동 구조가 단순해지며, 차량의 지상고 확보와 중량 감소에 유리하고, 모터의 제어가 용이해질 뿐만 아니라 소요 비용도 절감되는 연료전지 전기자동차용 구동계가 제공되는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 모터의 구동력을 전달받아 양측 바퀴로 분배하면서 차동작용을 수행하는 차동기어와, 이 차동기어의 사이드기어와 양측 바퀴를 연결하는 양측 드라이브샤프트를 포함하는 연료전지 전기자동차의 구동계에 있어서, 상기 모터가 2개로 구성되어 양측 드라이브샤프트 상에 각각 장착되고, 각 모터의 동력은 유성기어를 매개로 상기 차동기어에 전달되는 것을 특징으로 하는 연료전지 전기자동차의 구동계.
2. 제 1항에 있어서, 상기 모터들은 중공모터로서 중앙의 중공으로 양측 드라이브샤프트들이 관통하는 상태로 설치되며, 몸체 외측은 차체에 고정되고 내측은 상기 드라이브샤프트와의 사이에 베어링이 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 전기자동차의 구동계.
3. 제 2항에 있어서, 상기 베어링은 니들롤러베어링인 것을 특징으로 하는 연료전지 전기자동차의 구동계.
4. 제 1항에 있어서, 상기 유성기어는 선기어가 상기 모터의 출력축에 장착되고, 링기어는 차체에 고정되며, 피니언기어를 연결하는 캐리어가 상기 차동기어의 케이스에 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지 전기자동차의 구동계.

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