KR20060108129A - 연료전지 전기자동차의 구동계 - Google Patents

연료전지 전기자동차의 구동계 Download PDF

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KR20060108129A
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김진완
이민수
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Abstract

본 발명은 연료전지 전기자동차의 구동계에 관한 것으로, 모터의 구동력을 전달받아 양측 바퀴로 분배하면서 차동작용을 수행하는 차동기어와, 이 차동기어의 사이드기어와 양측 바퀴를 연결하는 드라이브샤프트를 포함하는 연료전지 전기자동차의 구동계에 있어서, 상기 모터가 제 1모터(MG1)와 제 2모터(MG2)로 구성되고, 이들 제 1,2모터(MG1,MG2)의 동력은 캐리어(20)를 공유하는 제1 및 제 2유성기어조립체(10,30)와, 체인(50)을 통하여 차동기어(40)로 전달되는 구조로 이루어진다. 또한, 상기 제 1,2모터(MG1,MG2)는 모터제어유니트(MCU)에 의해 차량 주행상태에 따라 구동여부 및 발전기로서의 작동여부가 제어된다.
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 한편, 보다 효율적인 모터 구동력 제어가 가능해지는 효과가 있다.

Description

연료전지 전기자동차의 구동계{driving system for fuel cell powered electric vehicles}
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*
MG1 : 제 1모터, MG2 : 제 2모터,
MCU : 모터제어유니트, 10 : 제 1유성기어조립체,
20 : 캐리어, 30 : 제 2유성기어조립체,
11,31 : 선기어, 12,32 : 유성기어,
13,33 : 링기어, 34 : 출력스프로켓,
40 : 차동기어, 50 : 체인,
60 : 베어링, 70 : 드라이브샤프트.
본 발명은 연료전지로 모터를 작동시키고, 이 모터의 회전력을 바퀴에 전달하여 차량을 구동시키는 연료전지 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 드라이브샤프트를 포함하는 연료전지 전기자동차의 구동계에 있어서, 상기 모터가 제 1모터와 제 2모터로 구성되고, 이들 제 1,2모터의 동력은 캐리어를 공유하는 제1 및 제 2유성기어조립체와, 체인을 통하여 차동기어로 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 모터가 2개로 구성된다. 이 모터들은 차량 주행 중 모터에 의한 가속이 필요 없는 상황에서 발전기로 작동될 수 있는 것으로 각각 제 1모터와 제 2모터로 칭하고, MG1, MG2로 표시하기로 한다(MG ; Motor & Generator).
상기 제 1,2모터(MG1,MG2)들은 차체의 플로어나 엔진탑재 차량의 엔진 장착위치에 장착된다.
상기 제 1모터(MG1)는 제 1유성기어조립체(10)에 연결된다. 이 제 1유성기어조립체(10)는 중앙의 선기어(11)와, 이에 외접하는 유성기어(12)들 및, 이 유성기어(12)들을 둘러싸고 있는 내접기어인 링기어(13)로 구성되며, 상기 유성기어(12)들은 캐리어(20)에 의해 일체로 연결되어 있고, 상기 선기어(11)에 제 1모터(MG1)의 회전축이 연결되며, 상기 링기어(13)는 차체에 대해 고정된다.
한편, 상기 제 2모터(MG2)는 제 2유성기어조립체(30)에 연결된다. 이 제 2유성기어조립체(30) 역시 중앙의 선기어(31)와, 이에 외접하는 유성기어(32)들과, 이를 둘러싼 링기어(33)로 이루어져 있다.
그런데, 이 제 2유성기어조립체(30)는 유성기어(32)들을 일체로 연결하는 캐리어로서 상기 제 1유성기어조립체(10)의 캐리어(20)를 공용한다.
즉, 제 1유성기어조립체(10)와 제 2유성기어조립체(30)의 캐리어(20)는 하나의 부품이며, 양쪽 유성기어조립체(10,30)의 유성기어(12,32)들을 모두 일체로 공전하게 한다. 물론, 양자의 캐리어를 따로따로 구성한 후 이를 별도의 체결수단으로 연결하여 일체로 거동하도록 하여도 무방하다.
또한, 상기 제 2유성기어조립체(30)의 링기어(33)는 전체적으로 원반형상으로 이루어져 있으며, 중앙에 짧은 중공축(33a)이 형성되고, 이 중공축(33a) 외주에 출력스프로켓(34)이 장착된다.
이에 상응하여 차동기어(40)의 차동기어케이스(41)에도 입력스프로켓(42)이 장착되고, 이들 출력스프로켓(34)과 입력스프로켓(42)은 체인(50)으로 연결된다.
또한, 상기 제 2유성기어조립체(30)의 링기어(33)는 제 1유성기어조립체(10)의 링기어(13)와는 달리 회전이 자유로운 상태이며, 그 외주면을 베어링(60)으로 지지하여 설치 및 작동상태를 안정시킬 수 있다.
한편, 상기 차동기어(40)는 일반적인 구조의 것으로, 차동기어케이스(41)와, 이 차동기어케이스(41)에 고정된 피니언샤프트(43), 이 피니언샤프트(43)의 양단에 고정된 한 쌍의 피니언기어(44), 이들 피니언기어(44)의 사이에 각각 치합되며 바퀴에 연결되는 드라이브샤프트(70)의 단부에 장착된 한 쌍의 사이드기어(45)로 이루어진다.
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 제 1,2모터(MG1,MG2)로 공급됨으로써 제 1,2모터(MG1,MG2)의 작동이 이루어진다. 이들 제 1,2모터(MG1,MG2)의 작동은 모터제어유니트(MCU)에 의해 이루어지며, 이 모터제어유니트(MCU)는 모터로 구동되는 전기자동차에서 무단변속 및 회생제동에 의한 배터리 충전 제어를 수행하는 전자제어유니트와 통합 구성될 수 있다.
제 1모터(MG1)에서 발생된 동력은 제 1유성기어조립체(10)의 선기어(11)를 회전시키고, 이후 유성기어(12), 캐리어(20)를 거쳐 제 2유성기어조립체(30)의 유성기어(32)를 공전 및 자전시키며, 이에 제 2유성기어조립체(30)의 링기어(33)가 회전함으로써 이와 일체로 출력스프로켓(34)이 회전되고, 체인(50)을 매개로 차동기어(40)의 입력스프로켓(42)에 동력이 전달되어 차동기어케이스(41), 피니언샤프트(43), 피니언기어(44), 사이드기어(45)가 일체로 회전됨으로써 양측 드라이브샤프트(70)가 회전되어 최종적으로 바퀴가 회전된다.
제 2모터(MG2)에서 발생된 동력은 제 2유성기어조립체(30)의 선기어(31)를 회전시켜 이에 외접된 유성기어(32)를 회전시키며, 이후에는 전술한 바와 동일하게 링기어(33)→출력스프로켓(34)→체인(50)→차동기어(40)→드라이브샤프트(70)로 전달되어 바퀴가 회전된다.
따라서, 차량의 주행이 이루어지며, 주행 중 선회시 양측 바퀴의 차동작용은 상기 차동기어(40)에 의해 정상적으로 이루어진다.
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, 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 상호 캐리어를 공용하는 2조의 유성기어조립체와 체인을 매개로 동력을 전달함으로써 종래 프로펠러샤프트가 위치하던 차량 하부의 구조가 매우 간소화되고, 중량도 감소된다.
한편, 상기와 같은 이유에 의하여 본 발명은 종래 각 바퀴 내부에 독립적으로 제어되는 모터가 구비되던 경우에 비하여, 바퀴측 구조가 매우 단순하다.
또한, 차동기어로 전달되는 동력의 최종 출력 경로가 동일하므로 모터가 1개 고장나더라도 그 출력만 줄어들 뿐 항상 양쪽의 바퀴를 모두 구동할 수 있으므로 안전성이 상대적으로 향상된다.
즉, 제 1모터(MG1) 또는 제 2모터(MG2) 둘 중의 한 모터가 고장나더라도 각각에 연결된 제 1,2유성기어조립체(10,30)의 캐리어(20)가 공용되어 있어 공통출력 경로인 제 2유성기어조립체(30)의 링기어(33)를 회전시킬 수 있으므로 차동기어(40)와 드라이브샤프트(70)를 거쳐 바퀴를 구동할 수 있다.
또한, 제어해야 할 모터의 수가 적으므로 상대적으로 제어가 용이한 장점이 있다.
한편, 본 발명은 상기 제 1,2모터(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 제 1,2모터(MG1,MG2)는 각각 독립적으로 제어될 수 있다. 이는 본 발명 구동계가 어느 한쪽 모터의 구동력이 다른 쪽 모터의 작동에 영향을 주지 않는 구조로 이루어져 있기 때문이다.
즉, 본 발명의 상기 모터제어유니트(MCU)는 저속 및 정속구간에서는 짧은 출력경로를 갖는 제 2모터(MG2)만을 단독구동시킨다. 이 경우, 동력은 전술한 바와 같이, 제 2유성기어조립체(30)의 선기어(31)→유성기어(32)→링기어(33)→출력스프로켓(34)→체인(50)→차동기어(40)→드라이브샤프트(70)로 전달되어 바퀴를 회전시킨다.
한편, 저속 고토크 및 고속 증속 구간에서는 제 1모터(MG1)와 제 2모터(MG2)를 동시 구동시킨다. 이 경우, 동력은 제 1모터(MG1)로부터 제 1유성기어조립체(10)의 선기어(11)→유성기어(12)→링기어(13)→제 2유성기어조립체(30)와 공용되는 캐리어(20)를 거쳐 상기 제 2모터(MG2) 단독구동인 경우의 동력전달경로에 부가되어 제 2모터(MG2)에서 발생된 동력과 함께 바퀴쪽으로 전달된다.
마지막으로 감속구간에서는 모터가 동력을 발생시킬 필요가 없으므로 제 1,2모터(MG1,MG2) 모두 발전기로서 작동하게 되며, 발생 전력은 상기 인버터(INV)에서 직류로 변환되어 배터리(BAT)에 저장되어, 추후 모터 구동 전력으로 사용된다.
이와 같이 모터제어유니트(MCU)가 차량의 주행상태에 따라서 제 1,2모터(MG1,MG2)를 단독 또는 동시 구동하거나 발전기로서 작동시킴으로써 보다 효율적인 구동력 제어가 가능하다.
한편, 상기 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.
또한, 차량의 주행상태에 따라 구동되는 모터의 수를 조절할 수 있게 됨으로써 보다 효율적인 구동력 제어가 가능하게 되는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 모터의 구동력을 전달받아 양측 바퀴로 분배하면서 차동작용을 수행하는 차동기어와, 이 차동기어의 사이드기어와 양측 바퀴를 연결하는 드라이브샤프트를 포함하는 연료전지 전기자동차의 구동계에 있어서,
    상기 모터가 제 1모터(MG1)와 제 2모터(MG2)로 구성되고, 이들 제 1,2모터(MG1,MG2)의 동력은 캐리어(20)를 공유하는 제1 및 제 2유성기어조립체(10,30)와, 체인(50)을 통하여 차동기어(40)로 전달되는 것을 특징으로 하는 연료전지 전기자동차의 구동계.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제 1유성기어조립체(10)는 중앙의 선기어(11)와, 이에 외접하는 유성기어(12)들, 이 유성기어(12)들이 내접하되 차체에 대해 고정된 링기어(13)로 구성되며, 상기 선기어(11)에 제 1모터(MG1)의 회전축이 연결되는 한편, 상기 제 2유성기어조립체(30)는 중앙의 선기어(31)와, 이에 외접하는 유성기어(32)들, 이 유성기어(32)들이 내접하되 회전이 자유로운 링기어(33)로 이루어지며, 상기 상기 제 1유성기어조립체(10)의 유성기어(12)들과 제 2유성기어조립체(30)의 유성기어(32)들이 상기 캐리어(20)에 의해 연결된 것을 특징으로 하는 연료전지 전기자동차의 구동계.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 제 2유성기어조립체(30)의 링기어(33)는 중앙에 중공 축(33a)이 형성되고, 이 중공축(33a)에 출력스프로켓(34)이 장착되는 한편, 차동기어(40)의 차동기어케이스(41)에 입력스프로켓(42)이 장착되어, 이 입력스프로켓(42)과 상기 출력스프로켓(34)이 체인(50)으로 연결된 것을 특징으로 하는 연료전지 전기자동차의 구동계.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 제 2유성기어조립체(30)의 링기어(33)가 베어링(60)으로 지지된 것을 특징으로 하는 연료전지 전기자동차의 구동계.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 제 1모터(MG1)와 제 2모터(MG2)는 모터제어유니트(MCU)에 의하여 저속 및 정속구간에서는 제 2모터(MG2)만 단독구동되고, 저속 고토크 및 고속 증속구간에서는 제 1,2모터(MG1,MG2)가 동시 구동되며, 감속구간에서는 발전기로서 작동하도록 작동 제어되는 것을 특징으로 하는 연료전지 전기자동차의 구동계.
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