KR20120065411A - 차량에 대한 출력요구가 감소된 하이브리드 구동시스템 - Google Patents

차량에 대한 출력요구가 감소된 하이브리드 구동시스템 Download PDF

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KR20120065411A
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KR
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KR1020127009588A
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테자스 크리슈나 크샤트리야
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케이피아이티 커민즈 인포시스템즈 엘티디.
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Abstract

하이브리드 차량이 개시된다. 하이브리드 차량은, 최고출력 정격을 가지는 내연기관 및 그 내연기관의 크랭크축을 회전시킴에 있어 내연기관을 지원하기 위하여 그 내연기관에 연결되는 전기모터를 포함한다. 전기모터는 내연기관의 최고출력 정격의 약 십분의 일 미만의 연속출력 정격을 가진다.

Description

차량에 대한 출력요구가 감소된 하이브리드 구동시스템 {HYBRID DRIVE SYSTEM WITH REDUCED POWER REQUIREMENT FOR VEHICLE}
본 출원은 이하의 특허출원의 우선권 및 이익을 향유하는 것으로서, 이들 출원의 개시내용은 본 명세서에 전체적으로 참조로서 포함되어 있다: 2009년 9월 15일자로 출원된 인도 특허출원번호 2108/MUM/2009; 2009년 9월 15일자로 출원된 인도 특허출원번호 2109/MUM/2009; 2009년 11월 15일자로 출원된 국제 특허출원번호 PCT/IN2009/000655; 2009년 11월 15일자로 출원된 국제 특허출원번호 PCT/IN2009/000656; 및 2010년 4월 30일자로 출원된 인도 특허출원 번호 1387/MUM/2010.
본 개시내용은 일반적으로 하이브리드 차량의 분야에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 개시내용은 신규 또는 기존 차량을 하이브리드 차량으로 변환하기 위하여 차량에 부가될 수 있는 구동시스템에 관한 것이다. 또한, 본 개시내용은 전기모터의 계획적인 사용을 통하여 시스템의 출력요구를 감소시키는 방법에 관한 것이다.
하이브리드 차량은, 흔히 비교적 낮은 연료효율 및/또는 운전중에 배출되는 바람직하지 않은 배기가스를 생성하는 종래의 내연기관, 변속기 및 동력전달장치를 채택한 차량들에 대하여 소비자들에게 대안적 해결책을 제공한다. 전형적인 하이브리드 차량은 전지로 작동되는 전기모터를 내연기관과 결합한 것이다. 소비자들에 의한 하이브리드 차량의 수용가능성은, 적어도 부분적으로는 그 해결책의 비용과, 연료효율 및 배기가스 감소의 관점에서 그 해결책이 가져다줄 혜택에 의존한다. 하이브리드 차량의 연료효율 및 배기가스 저감능력은 적어도 부분적으로는 하이브리드 구동시스템의 기본적인 구성품(예를 들면 전기모터, 배터리, 콘트롤러, 관련 소프트웨어 등)의 설계 및 용도에 의존한다. 연료효율 및 배기가스 저감의 관점에서 소비자들에게 경제적인 해결책을 제공하는 방식으로, 하이브리드 차량의 기본 구성품의 독립성들에 대한 균형을 유지하려는 하이브리드 차량 및/또는 차량용 하이브리드 구동시스템을 제공하고자 하는 요구가 있어 왔다. 또한, 기존의 차량에 대한 개장 적용으로서 용이하게 설치되거나 및/또는 원천장비 제조업체에 의하여 신규차량의 플랫폼에 결합될 수 있는 차량용 하이브리드 구동시스템을 제공하고자 하는 요구가 있어 왔다.
본 개시내용의 예시적인 일 실시형태는 하이브리드 차량에 관한 것이다. 이 하이브리드 차량은, 최고출력 정격을 가지는 내연기관 및, 그 내연기관의 크랭크축을 회전시킴에 있어 그 내연기관을 지원하도록 그 내연기관에 연결되는 전기모터를 포함한다. 전기모터는 내연기관의 최고출력 정격의 약 십분의 일 미만의 연속출력 정격을 가진다.
본 개시내용의 다른 예시적인 실시형태는 내연기관 및 변속기를 가지는 차량용 하이브리드 구동시스템에 관한 것이다. 이 하이브리드 구동시스템은, 변속기의 반대쪽 엔진 측부상에서 내연기관의 크랭크축에 연결되도록 구성되는 전기모터를 포함한다. 전기모터는 크랭크축을 회전함에 있어 내연기관에 대한 지원을 제공하도록 구성된다. 전기모터는 내연기관의 최고출력 정격의 약 십분의 일 미만의 연속출력 정격을 가진다. 하이브리드 구동시스템은 또한, 전기모터에 전력을 공급하도록 구성되는 적어도 한 개의 에너지 저장요소 및, 그 적어도 한 개의 에너지 저장요소로부터 전기모터로 보내지는 전력량을 제어하도록 구성된 모터제어 유니트를 포함한다.
본 개시내용의 다른 예시적인 실시형태는 하이브리드 차량의 배기가스 저감방법에 관한 것이다. 이 방법은, 내연기관이 차량에 대한 원동기로서 기능하도록 사용하는 것과, 내연기관의 크랭크축의 회전에 있어 전기모터가 내연기관을 지원하도록 사용하는 것을 포함한다. 전기모터는 내연기관의 최고출력 정격의 약 사십퍼센트 미만의 연속출력 정격을 가진다. 이 방법은 또한, 크랭크축을 회전함에 있어 내연기관을 지원하기 위하여 적어도 가끔씩 전기모터를 그의 최고출력 정격으로 작동하는 것과, 그의 최고출력 정격에서의 작동시 전기모터를 짧은 펄스로 작동하는 것을 포함한다.
본 개시내용의 다른 예시적인 실시예는 하이브리드 차량의 배기가스 저감방법에 관한 것이다. 이 방법은, 내연기관을 차량의 원동기로 사용하는 것과, 내연기관의 크랭크축의 회전에 있어 하나 이상의 전기모터가 내연기관을 지원하도록 사용하는 것을 포함한다. 하나 이상의 전기모터는, 내연기관의 최고출력 정격의 대략 십분의 일과 사십분의 일 사이에서 유지되는 복합식 연속출력 정격을 가지며, 또한, 크랭크축의 회전에 있어 내연기관을 지원할 때 적어도 하나 이상의 전기모터를 적어도 가끔씩 연속출력 정격 이상으로 작동한다.
도 1a는 예시적인 일 실시형태에 따른 차량 및 하이브리드 구동시스템의 모식적인 도면이다.
도 1b는 다른 예시적인 실시형태에 따른 차량 및 하이브리드 구동시스템의 모석직인 도면이다.
도 2는 예시적인 일 실시형태에 따른 도 1의 하이브리드 시스템을 가지는 차량의 측면도이다.
도 3은 도 2의 차량의 평면도이다.
도 4a는 도 2의 차량의 저면도이다.
도 4b는 일 실시형태에 따른 도 2의 차량의 엔진덮개이다.
도 5a는 도 2의 차량의 크랭크축상에 마련된 기존풀리의 사시도이다.
도 5b는 도 5a의 풀리만의 사시도이다.
도 6a는 크랭크축상에 마련된 기존풀리를 대체하는 하이브리드 구동시스템의 한 풀리의 사시도이다.
도 6b는 도 6a의 풀리만의 사시도이다.
도 7은 도 2의 차량의 매니폴드의 사시도이다.
도 8은 배기 차열판이 제거된, 도 2의 차량의 매니폴드의 다른 사시도이다.
도 9a는 하이브리드 구동시스템의 구성품을 지지하기 위하여 차량에 부가되는 제1 장착기구의 사시도이다.
도 9b는 제1 장착기구만의 사시도이다.
도 10a는 하이브리드 구동시스템의 구성품을 지지하기 위하여 차량에 부가되는 제2 장착기구의 사시도이다.
도 10b는 제2 장착기구만의 사시도이다.
도 11a는 하이브리드 구동시스템의 구성품을 지지하기 위하여 차량에 부가되는 제3 장착기구의 사시도이다.
도 11b는 제3 장착기구만의 사시도이다.
도 12는 차열판이 있는 상태로 도시된 예시적인 일 실시형태에 따른 전기모터용 장착기구의 사시도이다.
도 13a는 예시적인 일 실시형태에 따른 하이브리드 구동시스템의 신규의 아이들러(idler) 풀리의 사시도이다.
도 13b는 도 13a의 아이들러 풀리만의 사시도이다.
도 14는 예시적인 일 실시형태에 따른 차량내에 장착된 하이브리드 구동시스템의 연료 스위치의 사시도이다.
도 15는 예시적인 일 실시형태에 따른 차량의 페달 배치의 사시도이다.
도 16는 예시적인 일 실시형태에 따른 하이브리드 구동시스템의 접속배선함 및 절연기의 사시도이다.
도 17은 예시적인 일 실시형태에 따른 하이브리드 구동시스템의 모터제어 유니트의 사시도이다.
도 18은 예시적인 일 실시형태에 따른 하이브리드 구동시스템의 에너지 저장기구의 사시도이다.
도 19는 예시적인 일 실시형태에 따른 하이브리드 구동시스템의 충전기의 사시도이다.
도 20은 예시적인 일 실시형태에 따른 하이브리드 구동시스템의 선택사양으로서의 사용자 인터페이스 및 디스플레이의 사시도이다.
도 21은 예시적인 일 실시형태에 따른 하이브리드 구동시스템의 전기배선도이다.
도면을 참조하면, 예시적인 실시형태에 따른 하이브리드 구동 시스템(100) 및 그의 구성품들이 도시되어 있다. 하이브리드 구동시스템(100)은, 원천장비 제조업체에 의하여, 및/또는 개장 적용으로서, 차량(예를 들면, 승용차, 트럭, 스포츠 실용차(SUV), 미니밴, 버스등과 같은 자동차; 세바퀴 오토바이(tri-pods), 스쿠터, 비행기, 보트 등)내에 설치되도록 구성되며, 또한 엔진의 구동부하를 선택적으로 감소하거나(예를 들면, 적어도 부분적으로 부하를 공유함으로써), 및/또는 엔진의 크랭크축의 회전을 지원함으로써 엔진의 토크 용량을 증가시킬 수 있는 시스템을 제공한다. 차량에 대하여 하이브리드 구동시스템(100)을 부가하는 것은, 하이브리드 구동시스템(100) 없이 운행되는 동일 차량과 비교하여, 연료 효율성(예를 들면 연료 소비등), 배기가스 발생율 및/또는 차량의 출력을 개선함을 의도한 것이다. 하이브리드 구동시스템(100)은 차량내의 적절한 위치에 설치되거나 다른 차량 구성품과 결합하여 설치될 수 있으며, 광범위한 크기, 형상 및 구성등으로 마련될 수 있고, 다양한 실시형태에 따라서 광범위한 제조 및 조립공정을 사용하여 설치될 수 있다. 이러한 모든 변형은 본 개시내용의 범위 내에 있는 것으로 의도된 것이다.
도 1a는 예시적인 일 실시형태에 따른 차량 및 하이브리드 구동시스템(100)의 모식도이다. 하이브리드 구동시스템(100)은, 일반적으로, 도면에서는 가솔린동력 내연기관(102)으로서 도시된 엔진(예를 들면, 디젤엔진, 터빈엔진등), 전기모터(104), 모터제어 유니트(106) 및, 배터리(108)로서 도시된 전력원을 포함한다. 배터리(108)는, 전기화학적 셀(cells) 또는 배터리(비록 다른 예시적인 실시형태에 따라서는 배터리 대신에 또는 그에 부가하여 수퍼캐패시터 및/또는 울트라캐패시터와 같은 용량장치들도 사용될 수 있지만)의 형태로 된 다수개의 에너지 저장기구를 포함하는 배터리 팩의 형태로 되어 있다.
내연기관(102)은 차량의 하나 이상의 바퀴(110)를 구동하기에 충분한 토크 출력을 발생함으로써 차량의 원동기로서 기능한다. 전기모터(104)는 내연기관(102)의 구동부하를 감소함으로써(예를 들면, 적어도 부분적으로 부하를 공유하는 등에 의하여), 및/또는 내연기관(102)의 출력을 증강시킴으로써 내연기관(102)을 지원하도록 마련된다. 전기모터(104)는 배터리(108)에 의하여 전원을 공급받고 모터제어 유니트(106)에 의하여 제어된다. 모터제어 유니트(106)는 후술하는 바와 같이 엔진센서(112), 모터센서(114) 및/또는 배터리센서로부터 수신된 출력신호에 근거하여 전기모터(104)를 제어한다.
본 개시내용의 목적상, 하이브리드라고 하는 용어는, 그것이 단독으로 사용되건, 또는 차량 및/또는 구동시스템과 같은 용어와 함께 사용되건, 일반적으로 하나 이상의 동력원을 포함하는 구동시스템을 가지는 차량에 대해서 언급하는 것으로서 사용된다는 점을 처음부터 주목해야 한다. 예시적인 일 실시형태에 따르면, 하이브리드 구동시스템(100)은 내연기관 및 전기모터를 사용한다. 다른 실시형태들에 따르면, 내연기관 및/또는 전기 구동모터와 그의 제어시스템은 다양한 공지의 또는 기타 적절한 동력원으로 대체될 수 있다.
전기모터(104)에 의하여 내연기관(102)로 제공되는 지원량, 및 그 지원이 제공되는 기간은, 적어도 부분적으로 모터제어 유니트(106)에 의하여 제어된다. 모터제어 유니트(106)는 전기모터(104)를 작동하기 위한 하나 이상의 제어신호를 발생 및/또는 수신하도록 구성된 모터 콘트롤러를 포함한다. 모터제어 유니트(106)는, 하나 이상의 프로세서(예를 들면 마이크로콘트롤러)와, 모터제어 유니트(106)에 의하여 이용되는 다양한 데이터 및/또는 다양한 기능을 수행하도록 프로세서에 의하여 실행될 수 있는 지령등을 저장하도록 구성된 하나 이상의 컴퓨터 판독가능한 매체(예를 들면 메모리)를 포함할 수 있다. 모터제어 유니트(106)의 메모리는, 한정적인 것은 아니지만, 모터 제어모듈 및 에너지 관리모듈을 포함하는 하나 이상의 모듈(예를 들면, 소프트웨어 모듈)을 포함할 수 있다.
모터 제어모듈은 전기모터(104)의 작동을 제어하기 위한 하나 이상의 제어신호를 발생하도록 구성된다. 예시적인 일 실시형태에 따르면, 모터 제어모듈은 실험적인 및/또는 모델링 결과에 근거한 하나 이상의 모터 지원 프로파일에 기반을 둔 제어신호를 발생할 수 있다. 에너지 관리모듈은 배터리(108)에 의하여 제공되는 에너지를 관리하도록 구성된다. 예시적인 일 실시형태에 따르면, 에너지 관리모듈은 배터리(108)내에 남아 있는 사용가능한 전하와 재생식 제동의 결과로서 사용가능하게 될 수 있는 전하를 합한 양을 결정하고, 배터리(108)내의 사용가능한 전하 및/또는 기타 차량 운행조건에 근거하여 전기모터(104)에 제공되는 제어신호를 변경하도록 구성될 수 있다.
모터제어 유니트(106)는 다양한 센서, 회로 및/또는 내연기관(102), 전기모터(104), 배터리(108)과 같은 차량의 기타 구성품으로부터의 하나 이상의 입력을 수신한다. 이들 입력은 디지털 입력(예를 들면, 제동, 수동제동, 클러치, 후진, 공조, 점화, 절약 또는 파워와 같은 모드선택 등), 변조 및/또는 엔코딩된 입력(예를 들면, 차량 속도센서, 엔진 속도센서, 엔코더 등), 아날로그 입력(예를 들면, 모터온도, 엔진온도, 배터리(108)의 온도, 스로틀 위치, 매니폴드 압력, 브레이크 위치 등), 및/또는 기타 입력방식을 포함할 수 있다. 예시적인 일 실시형태에 따르면, 하나 이상의 입력은 절연회로(예를 들면 갈바닉 절연기)를 통하여 절연될 수 있다. 입력부분들에서 받아들인 정보는 다양한 차량센서(예를 들면 기존 차량센서, 엔진 관리 시스템, 하이브리드 구동시스템(100)에 의하여 사용되도록 차량에 부가된 센서등)로부터 수신될 수 있다.
모터제어 유니트(106)는 또한, 모터 콘트롤러로의 전원을 온, 오프하기 위한 모터콘트롤러 전원출력, 이상상태를 나타내는 이상램프 출력, 모터제어 유니트(106)에 관한 다양한 정보를 표시(예를 들면, 차량운전자, 정비공등을 위하여)하기 위한 디스플레이 출력과 같은 하나 이상의 시스템출력, 및/또는 다른 방식의 출력을 발생하도록 구성될 수 있다. 모터제어 유니트(106)는 분사기 출력 및/또는 시스템 출력과 같은 하나 이상의 출력(예를 들면, 디지털 출력, 아날로그 출력등)을 발생하도록 구성될 수 있다. 분사기 출력은 엔진으로의 연료량을 지연 및/또는 제한하기 위하여 연료 분사기를 제어(예를 들면, 하나 이상의 콘트롤러를 통하여)하도록 구성될 수 있다. 시스템 출력은 전원제어 출력, 모터콘트롤러 냉각팬 출력, 이상램프 출력, 펌프 출력 및/또는 차량의 다양한 구성품(예를 들면 엔진등을 포함하여)을 제어하거나 및/또는 정보를 제공하는데 사용되는 기타 다른 방식의 출력을 포함할 수 있다. 모터제어 유니트(106)는 또한 차량의 운전자를 위한 디스플레이용(차량의 계기판상의 또는 근방의 디스플레이로) 디스플레이 정보를 발생하도록 구성될 수도 있다.
내연기관(102)의 구동부하를 감소 및/또는 내연기관(102)의 출력을 증강함으로써 내연기관(102)을 지원함에 부가하여, 전기모터(104)는 배터리(108)를 충전 및/또는 차량내의 다양한 전장품으로 전기 에너지를 공급하기 위한 발전기로서 기능하도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 전기모터(104)는 내연기관(102)으로부터의 토크를 필요로 하지 않을 때(예를 들면 차량의 공회전시, 관성운전시, 제동시 등)는 발전기로서 기능할 수 있다. 전기모터(104)는 또한, 차량 내의 하나 이상의 시스템을 작동하기 위한 기계적 에너지(예를 들면, 회전 기계에너지 등)를 공급하도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 후술하는 바와 같이, 전기모터(104)는 차량의 공조시스템의 일부인 압축기에 동력을 공급하는데 사용될 수도 있다.
예시적인 일 실시형태에 따르면, 배터리(108)는 직렬연결된 다수개의 납축전지이다. 다른 실시형태에 따르면, 배터리(108)는, 한정되는 것은 아니지만, 리튬이온전지, 니켈 메탈 하이드라이드(NiMH) 전지등을 포함하는 다수개의 적절한 배터리로부터 선택될 수 있다. 다른 선택적인 실시형태에 따르면, 배터리(108)는 어떠한 다른 방식의 에너지 저장요소(예를 들면, 하나 이상의 캐패시터, 수퍼캐패시터 등)와 대체되거나 조합하여 사용될 수 있다.
배터리(108)는, 전기모터(104)가 발전기로서 기능할 때에는, 전기모터(104)로부터의 전하를 받아들이도록 구성된다. 만약 배터리(108)가 차량의 운행중에 충분하게 충전되지 않으면, 그 차량은 배터리(108)가 재충전될 때까지 연료전용 차량으로서만 운전행다. 예시적인 실시예에 따르면, 배터리(108)를 충전하기 위한 별도의 충전기도 마련된다. 그러한 충전기는, 플러그(134)로서 도시된 코넥터를 포함하고, 차량이 사용되지 않을 때에 사용자가 하이브리드 구동시스템(100)에 전원을 연결할 수 있도록 한다. 도시된 실시형태에 따르면, 배터리(108) 및 별도의 충전기의 양자는 차량의 트렁크내에 수납되는 것으로 도시된다. 다른 실시형태에 따르면, 배터리(108) 및/또는 별도의 충전기는 차량 내의 다른 어떠한 다른 가용공간내에 위치될 수 있다.
도 1a를 참조하면, 내연기관(102)는 제1 출력부(118) 및 제2 출력부(120)을 가지는 크랭크축(116)으로서 도시된 출력축을 포함한다. 제1 출력부(118)은 하나 이상의 바퀴(110)로 동력을 전달하기 위하여 차량의 동력전달장치에 연결되도록 구성된다. 도시된 실시형태에 따르면, 차량은 전륜구동 차량이며, 동력전달장치는 하나 이상의 차축, 차동기어, 링크 시스템을 통하여 앞바퀴(110)에 연결된 변속기(122)(자동변속기 또는 수동변속기)를 포함한다. 다른 실시형태에 따르면, 하이브리드 구동시스템(100)은 후륜구동 차량 및/또는 4륜구동 차량에 사용될 수도 있다. 내연기관(102)은 회전하는 크랭크축(116)에 의하여 변속기(122)를 통해 바퀴들을 구동하도록 회전 기계에너지를 내보내게 된다.
전기모터(104)는, 회전 기계에너지를 변속기(122)로 공급함에 있어서 내연기관(102)을 지원하도록 내연기관(102)과 병렬로 연결된다. 도시된 실시형태에 따르면, 전기모터(104)는 크랭크축(116)의 제2 출력부(120)에 연결되고; 제2 출력부(120)은 제1 출력부(118)의 반대쪽에 위치한 크랭크축(116)의 한쪽 끝단에 마련됨으로써, 전기모터(104)는 변속기(122)에 결합된 끝단의 반대쪽에 위치한 크랭크 축(116)의 한쪽 끝단에(예를 들면, 내연기관(102)등의 대향하는 측부들 상에) 결합하게 된다. 변속기(122)와 동일한 측부상에 있는 것보다, 내연기관(102)에 대하여 그와 같은 위치에 전기모터(104)를 연결하는 것은, 하이브리드 구동시스템(100)의 부가, 특히 개장 적용을 단순화할 수 있다. 또한, 변속기(122)의 앞쪽(예를 들면 전방 등)에 전기모터(104)를 위치시키는 것은 전기모터(104)가 변속기(122)의 기어를 이용함으로써 전기모터(104)의 부하를 감소할 수 있도록 한다. 예를 들어, 5단 수동변속기를 가지는 차량의 예시적인 일 실시형태에 있어서, 기어의 위치가 1단 기어로부터 5단 기어로 바뀜에 따라 기어비는 대략 3.45와 대략 0.8의 사이에서 변화될 수 있다. 따라서, 주어진 예에 있어서, 변속기(122)의 앞에서 전기모터(104)를 크랭크축(116)에 연결하게 되면, 전기모터(104)는 그 동일한 전기모터(104)가 변속기(122)의 뒤에서 크랭크축(116)에 연결된 경우와 비교할 때 1단기어에서 3.45 배 큰 출력토크를 제공할 수 있도록 한다. 그와 같이, 본 시스템은 소형 전기모터(104)가 특정한 적용에 관련된 토크 요구에 맞추어 사용될 수 있도록 한다.
전기모터(104)는, 내연기관(102)의 구동부하를 감소하도록 크랭크축(116)의 회전을 지원함으로써(예를 들면 적어도 부분적으로 부하등을 공유함으로써) 및/또는 내연기관(102)의 동력을 증강시킴으로써 내연기관(102)을 지원한다. 내연기관(102)의 구동부하가 감소될 수 있기 때문에, 연료 효율성(예를 들면 연료소모 등) 및/또는 배기율이 개선될 수 있다. 전기모터(104)에 의하여 제공되는 지원양, 및/또는 전기모터(104)에 의하여 제공되는 지원의 시간주기 등은 하이브리드 구동시스템(100)이 사용되는 적용분야의 특정한 요구 및/또는 파라미터에 따라서 가변될 수 있다. 예시적인 일 실시형태에 따르면, 전기모터(104)에 의하여 제공되는 지원의 목적은 내연기관(102)을 효과적인 운행영역으로 이동함으로써 배기가스를 감소하는 것이다.
전기모터(104)는 일반적으로 모터 하우징(124) 및 출력축(126)을 포함한다. 예시적인 일 실시형태에 따르면, 전기모터(104)는 3상 교류 유도전동기이다. 다른 실시예에 따르면, 전기모터(104)는, 한정되는 것은 아니지만, 직류모터, 프로그램가능한 논리콘트롤러를 가지는 직류모터등을 포함하는 적절한 다수개의 모터중 어느 하나일 수 있다.
예시적인 일 실시형태에 따르면, 전기모터(104)는, 출력축(126)이 크랭크축(116)과 실질적으로 평행하고 또한 그의 중심에서 벗어나 있는 상태로, 하우징(124)이 내연기관(102)의 한 측부(예를 들면 전방측 등)에 인접하도록 내연기관(102)에 대하여 위치된다. 도시된 실시형태에 따르면, 전기모터(104)는 내연기관(102)의 전방(차량의 구동방향에 대하여)에 위치하며, 풀리 시스템을 경유하여 내연기관(102)에 연결된다. 풀리 시스템은 일반적으로 제1 풀리(128) 및 제2 풀리(130)을 포함한다. 제1 풀리(128)는 크랭크축(116)의 제2 출력부(120)에 회전가능하게 결합되는 반면, 제2 풀리(130)는 전기모터(104)의 출력축(124)에 회전가능하게 결합된다. 벨트(132)로서 도시되어 있는 연결기구(예를 들면 체인, 끈 등)가 제1 풀리(128) 및 제2 풀리(130)의 사이에 마련된다. 다른 실시형태에 따르면, 전기모터(104)는 내연기관(102)에 대한 다수개의 위치중의 어느 곳에도 위치될 수 있다(예를 들면, 상방, 하방, 하나 이상의 측면들, 후방, 등).
다른 실시형태에 따르면, 풀리 시스템은, 한정된 것은 아니지만, 기어 시스템을 포함하는 어떠한 기타의 적절한 연결시스템으로 대체될 수 있다. 도 1b를 참조하면, 하이브리드 구동시스템(100)이 다른 예시적인 실시형태에 따라 도시되어 있다. 도시된 실시형태에 따르면, 전기모터(104)는, 하우징(124)의 한끝단이 내연기관(102)의 한 끝단과 마주하고 출력축(126)은 크랭크축(116)의 제2 출력부(120)과 적어도 부분적으로 정렬(예를 들면, 동축적, 동심적 등)되도록, 내연기관(102)에 대하여 위치된다. 유니버설 커플링(136)으로 나타낸 축커플링(예를 들면 유니버설 조인트, 이음쇠등)이 출력축(126)과 제2 출력(120)의 사이에 마련되어, 전기모터(104)를 내연기관(102)에 직접 연결한다. 유니버설 커플링(136)은 출력축(126)과 제2 출력부(120) 사이의 어떠한 경미한 정렬불량도 보상한다. 도시된 실시형태에 따르면, 유니버설 커플링(136)은 내연기관(102)에 의하여 회전가능하게 지지된 제1 풀리(128)에 장착된다. 도 1a와 관련하여 상술한 실시형태와 유사하게, 제1 풀리(128)는 발전기와 공조시스템의 압축기중의 적어도 한개에 연결된 벨트를 지지할 수 있다.
전기모터(104)의 크기(즉, 출력 요구량)는 내연기관에 병렬로 연결된 전기모터를 가지는 통상의 하이브리드 차량과 비교할 때 비교적 소형이다. 소형모터는 대형모터보다 덜 비쌀것이며 더 낮은 가격으로 하이브리드 시스템이 실시되도록 할 수 있다. 소형모터는 또한 더 작은 공간을 소요하게 된다. 차량내의 공간(예를 들면 후드아래쪽 등)은 제한될 수 있기 때문에, 소형모터의 사용은 하이브리드 구동시스템(100)으로 하여금 보다 용이하게 차량에 결합될 수 있도록 할 수 있다. 소형모터는 또한 대형모터보다 중량이 덜 나가지만, 짧은 시간동안 요구되는 토크를 제공하는데(예를 들어 엔진의 배기가스량이 많을 때 등) 적절할 수 있다. 소형모터의 사용은 대형모터를 사용하는 시스템과 비교할 때 더 큰 연료경제성 및 낮은 배기가스 배출성을 제공할 수 있다. 결과적으로 소형모터는 전력을 더 낮은 전압 및/또는 전류에서 공급할 수 있으며, 이는 하이브리드 시스템의 구성품 사이에서 전력을 공급하도록 사용되는 도전체가 작아지도록 할 수 있으며 및/또는 시스템의 안전성을 증가시킬 수 있도록 한다.
하이브리드 구동시스템(100)내에서 전기모터(104)의 크기가 감소될 수 있는 이유는 적어도 2가지가 있다. 첫번째는, 하이브리드 구동시스템(100)은 절대로 순수한 전기자동차로서 차량을 운행하지는 않는다는 점이다. 다시 말해서, 전기모터(104)는 절대로 단독으로는 차량을 구동하지 않으며, 내연기관(102)에 대한 출력 지원기구로서만 기능할 뿐이며, 부가적으로, 가능하게는 발전기 및/또는 하나 이상의 차량 구성품에 대한 구동기구로서만 동작하는 것이다. 내연기관(102)에 대한 지원을 제공함으로써, 전기모터(104)는 차량에 필요한 구동토크를 제공하면서 내연기관(102)으로 하여금 보다 효율적인 영역에서 운행되도록 허용한다. 이와 같이, 전기모터(104)는 내연기관(102)과 동일한 정도의 토크 및/또는 속도요구를 충족시켜야할 필요는 없다. 두번째로, 그 지원은 선택적인 기간동안 선택적인 양으로만 제공된다. 따라서, 전기모터(104)는 연속적으로 운용되어야 할 필요는 없으며, 적어도 토크제어 운전모드에 있을 필요는 없는 것이다.
예를 들어, 지원의 이익이 더 많은(예를 들면, 감소된 배기가스 배출량, 증가된 연료효율, 증가된 출력 등) 운행조건에서는 더 많은 지원이 제공될 수 있으며, 지원의 이익이 더 낮은 운행조건에서는 더 적은 지원이 제공될 수 있을 것이다. 예시적인 실시형태에 따르면, 하이브리드 구동시스템(100)은 내연기관(102)의 속도가 비교적 저속일 때(예를 들면 2,000 rpm 미만) 더 많은 지원을 제공하고, 내연기관의 속도가 비교적 고속일 때(예를 들어 4,500 rpm 이상) 더 적은 지원을 제공한다. 다시 말해서, 차량이 비교적 고속으로 운행되고 있는 때에는, 하이브리드 구동시스템(100)은 내연기관(102)이 더 높은 토크요건을 공급하도록 하고 전기모터(104)는 내연기관(102)에 대해서 어떠한 지원도 제공하지 않는다. 저속에서 갑작스럽게 더 높은 토크에 대한 요구가 있을 때에는, 전기모터(104)가 내연기관(102)에 대한 최대한의 지원을 하게 된다. 내연기관(102)이 저속상태에 있을 때에는, 관성 및 시스템지연 때문에 내연기관(102)이 더 높은 토크레벨을 이루기 위해서는 다소 시간이 걸리게 된다. 이 시간동안에, 전기모터(104)가 최대출력으로 가동되어 차량의 토크요구를 신속하게 충족시킬 수 있다. 하지만, 그러한 최대출력 요구의 경우는 일반적으로 뜸하며 자주 있는 것이 아니다. 이러한 방식으로, 내연기관(102)은 원하는 영역운행내로 들어가게 된다.
내연기관(102)의 속도가 비교적 고속인 상황의 예로서, 가속시를 들 수 있다. 이와 같이, 하브리드 구동시스템(100)은 차량의 가속시에 지원을 제공하도록 구성된다. 하이브리드 구동시스템(100)은 차량에 대하여 가속하라는 요구가 있는지(예를 들면 가속기 또는 가솔린 페달이 눌려질 때)에 대하여 알아낼수(예를 들면 하나 이상의 센서로부터 신호를 수신함으로써) 있다. 이에 응하여, 전기모터(104)는 이 기간동안 내연기관(102)에 대한 지원을 제공하도록 제어된다. 예시적인 실시형태에 따르면, 지원은 단시간 또는 펄스로서만 제공된다. 그러나, 이 짧은 펄스시에 제공되는 지원량은 전기모터(104)의 연속정격보다 클 수도 있다. 예를 들어, 전기모터(104)는 이 기간 동안 최고정격 또는 그 근방에서 작동될 수 있다. 모터를 그의 연속정격을 초과하는 전류로 짧은 시간동안 작동시킴으로써, 소형 전기모터를 사용하면서도 차량의 출력요구가 충족되고 효율(예를 들면, 배기가스배출, 연료경제성 등)이 개선될 수 있다.
전기모터(104)가 내연기관(102)에 제공할 수 있어야 하는 지원량을 결정하는 것은 다수개의 인자에 대한 균형을 맞추는 것이다. 전기모터(104)를 선택하는 하나의 방법은, 원하는 양 및 시간에 대해서 내연기관(102)을 지원하는데 필요한 최소출력(예를 들면 토크)요구를 제공할 수 있는 전기모터를 선택하는 것이다. 그러한 방법은 전기모터(104)의 크기, 배터리(108)의 크기 및 하이브리드 시스템(100)의 전체 중량을 감소시킬 수 있다. 예시적인 일 실시형태에 따르면, 이러한 방법은, 내연기관(102)의 출력(예를 들면 마력수)의 대략 40퍼센트와 대략 50퍼센트의 사이에서 최대정격을 가지는 전기모터(104)를 선택하는 것을 포함한다.
이하의 내용은, 그러한 모터선택 방법의 예이다. 본 예에 있어서, 차량은 대략 47마력의 정격을 가지는 내연기관(102)을 가진다. 상술한 방법에 따르면, 전기모터(104)는 내연기관(102)의 마력수의 대략 40퍼센트를 제공할 수 있는 크기로 되어야 한다. 최대 부하상황으로 설계하기 위하여는, 차량이 고단 기어상태에 있을 때, 기어비는 대략 1:1인 것으로 가정된다. 따라서, 전기모터(104)가 필요로 하는 최대출력은 대략 18.8마력(즉, 0.4 * 47) 또는 대략 14킬로와트이다. 이 값에 가장 근접한 연속정격을 가지는 전기모터(104)를 선택하기 보다는, 이 값에 가장 가까운 최대정격을 가지는 전기모터(104)를 선택하는 것이 하이브리드 구동시스템(100)의 방법이다. 일반적으로, 모터의 최대정격은 연속정격의 대략 4 내지 5배이다. 짧은 기간동안에는, 전기모터(104)에 과열 및/또는 손상을 주지 않고서도, 전기모터(104)가 그의 연속정격보다 4 내지 5배 높게 작동할 수 있는 것이 발견되었다. 따라서, 이러한 방법하에서는, 전기모터(104)는 대략 3.5킬로와트의 연속정격을 가져야 한다.
두번째 예에서, 차량은 대략 75 및 80마력 사이 정격치의 내연기관(102)을 가지는 중형차량이다. 상기에서 기술한 바와 동일한 방법을 사용하여, 대략 6킬로와트의 연속정격을 가지는 전기모터(104)가 하이브리드 구동시스템(100)용으로 선택될 수 있을 것이다.
전기모터(104)를 선택함에 있어 사용될 수 있는 다른 방법은, 내연기관(102)의 최대마력수의 십분의 일(1/10)보다 적은 연속정격의 전기모터(104)를 선택하는 것이다. 예시적인 일 실시형태에 따르면, 이 방법은, 내연기관(102)의 최대마력수의 대략 십분의 일(1/10)과 대략 사십분의 일(1/40) 사이의 연속정격을 가지는 전기모터(104)를 선택하도록 한다. 다른 예시적인 실시형태에 따르면, 이 방법은, 내연기관(102)의 최대마력수의 대략 십오분의 일(1/15)과 대략 사십분의 일(1/40) 사이의 연속정격을 가지는 전기모터(104)를 선택하도록 한다. 다른 예시적인 실시형태에 따르면, 이 방법은, 내연기관(102)의 최대마력수의 대략 이십분의 일(1/20)의 연속정격을 가지는 전기모터(104)를 선택하도록 한다. 다른 실시형태에 따르면, 전기모터(104)를 선택함에 있어서 다른 방법들이 사용될 수도 있다(예를 들면, 80퍼센트인 최대 토크율로서 100퍼센트 공회전토크를 요구하는 방법).
일단 전기모터(104)가 하이브리드 구동시스템(100)내에 설치되면, 전기모터(104)가 가열되지 않도록 전기모터(104)의 온도가 모터제어 유니트(106)에 의하여 감시된다. 대략 4초미만이기가 쉬운 시간의 펄스형태로만 최대정격에서 전기모터(104)를 작동하도록 모터제어 유니트(106)가 프로그램되어 있기 때문에 과열의 가능성은 감소된다. 전기모터(104)가 과열되었는지 및/또는 과열되려고 하는지를 탐지하기 위하여 하나 이상의 센서들이 마련될 수 있으며, 그러한 경우에는, 전기모터(104)로의 전원을 차단하도록 구성될 수 있다.
이러한 방법으로 전기모터(104)를 선택하는 것은 전기모터(104)에 대한 출력요구를 비교적 낮게 할 수 있다. 전기모터(104)가 비교적 낮은 출력요구를 가지기 때문에, 배터리(108)의 크기가 감소될 수 있다. 또한, 더 낮은 출력요구는 납축전기 같은 사용될 배터리의 보다 비용효율적인 형식을 허용하게 된다. 예를 들어, 하이브리드 구동시스템(100)용으로 3.5킬로와트 연속출력의 전기모터가 하이브리드 구동시스템(10)용으로 선택되었을 때, 48-볼트 납축전기형 배터리(108)가 전기모터(104) 및 모터제어 유니트(106)에 전력을 공급하도록 사용될 수 있다. 예시적인 일 실시형태에 따르면, 하이브리드 구동시스템(100)은 48-볼트 배터리(108)를 제공하기 위하여 직렬연결된 4개의 12-볼트 100암페어 납축전지를 사용할 수도 있다.
전기모터(104) 및 배터리(108)의 선택이 완료되면, 하이브리드 구동시스템(100)은 차량에 부가될 준비가 된것이다. 상술한 바와 같이, 하이브리드 구동시스템(100)은 소비자가 기존의 가솔린동력 차량을 하이브리드 차량으로 변환할 수 있도록 원천장비 제조업체에 의하여, 또는 개장적용으로서 차량에 부가될 수 있다. 개장적용으로서, 하이브리드 구동시스템(100)은 비교적 결함이 없는 변환키트(kit)로서 제공될 수 있는데, 기존의 내연기관(102)과 변속기(104)가 하이브리드 구동시스템(100)을 수용하도록 변형될 필요가 없기 때문이다. 하이브리드 구동시스템(100)을 차량에 부가하는데 필요한 특정한 단계들은 그 하이브리드 구동시스템(100)이 부가될 차량의 제조사 및 모델에 따라 가변적일 수 있지만, 차량에 관계없이 필요한 단계는: i) 전기모터(104)를 수용하기 위한 차량 내의 공간을 찾아내는 것; ii) 전기모터(104)용으로 충분한 간격을 제공하기 위하여 특정한 차량 구성품을 재배치, 재구성 및/또는 제거하는 것; iii) 차량내에 전기모터를 장착하는 것; iv) 내연기관(102)의 크랭크축(116)에 전기모터(104)를 연결하는 것; v) 모터제어 유니트(106)를 설치하는 것; vi) 전기모터(104) 및 모터제어 유니트(106)에 전력을 공급하기 위한 하나 이상의 에너지 저장요소(예를 들면, 배터리(108) 등)를 설치하는 것을 포함한다.
도 2a 내지 21을 참조하면, 특정한 개장 적용이 예시적인 일 실시형태에 따라 도시되어 있다. 도시된 실시형태에 따르면, 하이브리드 차량으로 변환되는 차량은 1.4리터 엔진 및 수동변속기를 가진 중형, 4도어 승용차이다. 상술한 방법을 사용하여, 대략 7.5 마력 또는 5.5 킬로와트의 연속정격을 가지는 전기모터(104)가 내연기관(102)을 지원하도록 선택되었다. 변환을 시작하기 전의 차량은, 기타 구성품 중에서도, 배터리, 내연기관(102)의 크랭크축을 돌리기 위한 스타터 모터, 배터리를 충전하고 차량의 전기시스템에 전력을 공급하기 위한 알터네이터, 및 압축기를 가지는 공조시스템을 포함한다. 변속기(122)는 내연기관(102)의 크랭크축의 한쪽에 연결되며, 풀리(200)(도 5a 및 5b에 도시됨)는 크랭크축의 제2 측에 연결되며, 그 쪽은 변속기(122)와 반대쪽이다. 풀리(200)는 알터네이터상의 대응하는 풀리에 연결된 제1 벨트와, 공조기의 압축기상의 대응하는 풀리에 연결된 제2 벨트를 수납하도록 구성된다.
도 4a 및 4b를 참조하면, 변형공정에서의 예비적인 단계는 적어도 부분적으로 차량의 특정 구성품들을 해체하는 것이다. 이 단계는 차량의 하나 이상의 앞바퀴, 차량의 앞범퍼 및, 내연기관(102)둘레 영역으로의 접근을 제한할 수 있는 엔진커버(202)로서 나타낸 보호차폐물을 제거하는 것을 포함한다. 차량을 변환하는 방법은 또한 크랭크축으로부터 풀리(200)(도 5a 및 5b에 도시됨)을 제거하고 이것을 하이브리드 구동시스템 풀리(204)(도 6a 및 6b에 도시됨)로 교체하는 것을 포함한다. 이 단계는, 풀리(200)가 제거되어 하이브리드 구동시스템 풀리(204)로 교체됨에 따라 크랭크축이 회전하는 것을 방지하기 위하여 내연기관(102)의 플라이 휠을 충분하게 고정하는 것을 포함한다.
예시적인 일 실시형태에 따르면, 하이브리드 구동시스템 풀리(204)는 제1 풀리부(206) 및 제2 풀리부(208)를 포함하는 하나로 된 일체형 몸체이다. 제1 풀리부(206)는, 알터네이터에 연결된 벨트를 수납하도록 구성되었던 풀리(200)의 부분과 실질적으로 유사하다. 제2 풀리부(208)는, 공조기의 압축기보다는 전기모터(104)에 연결될 벨트를 수납하도록 구성된다. 공조기의 압축기를 구동하기 위하여는, 전기모터(104)와 공조기의 압축기의 사이에 새로운 벨트가 마련될 것이다. 그와 같이, 전기모터(104)는 내연기관(102)보다는 공조기의 압축기를 구동하도록 사용된다. 전기모터(104)를 크랭크축으로부터 선택적으로 단속하기 위하여 전기모터(104)와 내연기관(102)의 사이에 적절한 클러치가 마련된다는 점을 고려하면, 그와 같은 배치는 내연기관(102)이 꺼지더라도 공조기가 작동할 수 있도록 한다.
예시적인 일 실시형태에 따르면, 전기모터(104)는 내연기관(102)의 배기 매니폴드에 밀착되게 인접한 영역내에서 내연기관(102)의 전방에 장착된다. 도 7 및 8을 참조하면, 이 영역내에서 전기모터(104)용의 부가적인 간격을 제공하기 위하여, 배기 매니폴드 차열판(210)이 제거된다. 배기 매니폴드 차열판(210)이 제거된 상태에서, 하이브리드 구동시스템(100)의 구성품들을 지지하기 위하여 하나 이상의 장착 브래킷이 부가될 수 있다. 도 9a 내지 11b를 참조하면, 변형방법은: i) 엔진블록상에 아이들러 풀리 브래킷(212)을 설치하는 것(도 9a 및 9b에 도시됨); ii) 엔진 매니폴드 근처에 실질적으로 수직인 브래킷(214)을 설치하는 것(도 10a 및 10b에 도시됨); iii) 엔진 매니폴드상에 모터장착 브래킷(216)을 설치하고 수직 브래킷(214)에 고정하는 것(도 11a 및 11b에 도시됨); 및, iv) 엔진블록상에 공조기의 압축기 브래킷(218)을 설치하는 것을 포함한다(도 9a 및 9b에 도시됨).
예시적인 일 실시형태에 따르면, 모터장착 브래킷(216)은 금속재질로 형성된 실질적으로 L-자형 부재로서 구성된다. 전기모터(104)가 과열될 가능성을 감소하기 위한 노력의 일환으로, 모터장착 브래킷(216)은, 엔진 매니폴드 및 전기모터(104) 주위의 공기순환을 촉진하도록 구성된 하나 이상의 개구(220)를 포함한다. 전기모터(104)의 전체 중량은 모터장착 브래킷(216)에 지지되며, 모터장착 브래킷(216)은 내연기관(102)에 의하여 전체적으로 지지된다. 다른 실시형태에 따르면, 내연기관(102)에 전기모터(104)를 지지하기에 충분한 공간이 없는 경우에는, 전기모터(104)는 적어도 부분적으로 차체 및/또는 프레임에 의하여 지지될 수 있다.
도 12를 참조하면, 내연기관(102), 특히 배기 매니폴드 근처에 있음으로 인하여 전기모터(104)가 과열될 가능성을 더욱 감소하기 위하여, 모터장착 브래킷(216)과 전기모터(104)의 사이에 차열판(222)이 마련된다. 차열판(222)는 전기모터(104)로 전달되는 열량을 감소시키기에 적절한 어떠한 다양한 재료로도 만들어질 수 있다.
도 13a 및 13b를 참조하면, 차량의 변환방법은 또한 아이들러 풀리(224)의 부가를 포함한다. 아이들러 풀리(224)는 엔진블록상에 장착된 아이들러 풀리 브래킷(212)에 회전가능하게 장착된다. 아이들러 풀리(224)는 벨트장력 부여용 풀리로서 사용될 수 있으며, 그 위치는 벨트의 장력을 제어하기 위하여 조정될 수 있다(예를 들어, 아이들러 풀리(224)는 실질적으로 수직방향 등에서 조절될 수 있다).
도 14를 참조하면, 차량변환 방법은 차량에 연료스위치(226)를 설치하는 것을 또한 포함한다. 연료스위치(226)는 내연기관(102)의 연료분사기로의 연료공급을 제한하기 위한 차단기구로서 기능한다. 연료스위치(226)는 모터제어 유니트(106)에 연결되고 그에 의하여 제어되며, 모터제어 유니트(106)는 연료스위치(226)를 개방위치에서 폐쇄위치로 전환함으로써 내연기관(102)을 정지시키도록 프로그램될 수 있다. 예시적인 실시형태에 따르면, 모터제어 유니트(106)는 적어도 2개의 상황에서 연료스위치(226)를 폐쇄위치로 전환하도록 구성된다.
연료스위치(226)가 사용될 수 있는 첫번째 상황은, 내연기관(102)이 동작중인데 차량이 소정 시간 동안 움직이지 않는 경우이다. 그러한 상황에서는, 모터제어 유니트(106)는 내연기관(102)로의 연료의 공급을 차단하고 그에 의하여 내연기관(102)을 정지시키도록 연료스위치(226)로 신호를 보낸다. 이러한 구성에 있어서, 모터제어 유니트(106) 및 연료스위치(226)는, 내연기관(102)으로 연료를 공급하는 신호를 제공하고 있는 엔진관리 시스템을 우회하게 된다. 차량이 움직인다는 신호를 모터제어 유니트(106)가 받게 되면, 연료스위치(226)는 개방위치로 복귀되고 내연기관(102)으로의 연료공급이 재개된다.
연료스위치(226)가 사용될 수 있는 두번째 상황은, 차량은 움직이지만 내연기관(102)으로부터의 토크출력을 필요로 하지 않는 경우이다. 예를 들어, 차량이 고갯길을 내려가고 있을 때에는, 차량이 움직이고는 있지만 내연기관(102)에 대한 토크요구가 없기 때문에 내연기관(102)은 필요치 않을 수 있다. 그러한 일이 발생하는 동안에는, 내연기관(102)은 그의 공회전 속도 이하에서 작동하기가 쉽다. 그러한 상황에서는, 모터제어 유니트(106)가 내연기관(102)으로의 연료공급을 차단하고 내연기관(102)을 끄도록 연료스위치(226)로 신호를 보낸다. 내연기관(102)이 공회전 속도를 회복하였다는 신호를 모터제어 유니트(106)가 수신하면, 연료스위치(226)가 개방위치로 복귀되고 내연기관(102)으로의 연료공급이 재개된다.
도 15를 참조하면, 차량변환 방법은, 사용자가 자동차 열쇠를 점화위치로 돌리지 않고서도 차량에 시동을 걸 수 있도록, 차량의 클러치 페달(228) 하부에 스위치를 설치하는 것을 임의사양으로서 포함할 수 있다. 열쇠를 돌리는 것보다, 사용자는 단순히 페달 아래의 스위치를 작동하기 위하여 클러치 페달(228)을 누르기만 하면 된다. 스위치의 작동은 내연기관(102)의 크랭크축을 돌리는데 사용되는 전기모터(104)를 시동한다. 전기모터(104)가 내연기관(102)의 크랭크축을 돌리기 위한 충분한 토크를 제공할 수 없는 대형차량으로의 적용(예를 들면 대략 1.4리터 이상) 및/또는 디젤차량으로의 적용에 있어서는, 이 스위치는 내연기관(102)의 축을 돌리기 위하여 차량에 이미 존재하는 스타팅 모터를 시동하는데 사용될 수 있다.
도 16 및 17을 참조하면, 차량변환 방법은 차량내에 모터제어 유니트(106)를 설치하는 것을 또한 포함한다. 이는, 차량내에 접속 배선함(230), 절연기(232) 및/또는 제어모듈(234)을 설치하는 것을 포함할 수 있다. 도시된 실시형태에 따르면, 접속 배선함(230) 및 절연기(232)는 차량의 운전자석 하부에 위치되는 것으로 도시되고, 제어모듈(234)는 차량의 조수석 하부에 위치되는 것으로 도시되어 있다. 다른 실시형태에 따르면, 접속배선함(230), 절연기(232) 및 제어모듈(234)은 차량 내의 다양한 위치에 마련될 수 있다. 예를 들어, 접속배선함(230), 절연기(232) 및 제어모듈(234)의 전부가 차량의 계기판 하부에 장착되도록 구성될 수도 있다. 도 21은, 접속배선함(230), 절연기(232) 및/또는 제어모듈(234)을 포함하여, 하이브리드 구동시스템(100)의 다양한 구성품의 입력 및 출력을 나타내는 하이브리드 구동시스템(100)의 전기배선도의 모식도이다.
도 18을 참조하면, 차량의 변환방법은 차량의 트렁크내에 배터리(108)를 설치하는 것을 또한 포함한다. 배터리(108)는 차량내의 기존 배터리에 부가되고 차량내에 배선된 하나 이상의 케이블을 통하여 모터제어 유니트(106) 및 전기모터(104)에 전기적으로 연결된다. 기존의 차량배터리는 기존의 차량 구성품에 전력을 공급하도록 유지된다. 예시적인 일 실시형태에 따르면, 배터리(108)는 서로 직렬로 연결된 5개의 12볼트 100암페어 납축전지이다. 다른 실시형태에 따르면, 배터리(108)는 상술한 바와 같은 다양한 에너지 저장기구중 어느 하나일 수 있다. 다른 실시형태에 따르면, 배터리(108)는 차량의 기존배터리를 대체할 수 있는 충분한 용량으로 될 수 있다. 그러한 구성에 있어서는. 배터리(18)로부터의 48볼트를 기존의 차량부품에 필요한 12볼트로 감압하기 위하여 DC-DC 변압기가 구비될 필요가 있다.
도 19를 참조하면, 차량의 변환방법은, 사용자로 하여금 차량이 사용되지 않을 때에 배터리(108)를 선택적으로 충전할 수 있도록 차량의 트렁크내에 별도의 충전기(236)를 설치하는 것을 또한 포함한다. 충전기(236)는 차량이 사용되지 않을 때에 사용자에 의하여 전기 콘센트에 선택적으로 연결될 수 있도록 구성된 코넥터(예를 들면, 플러그등)를 포함한다. 충전기(236)는 트렁크내에서 배터리(108)위에 위치하도록 도시되어 있지만, 선택적으로는 트렁크의 측벽에 따른 크기로 통합 및 지지됨으로써, 트렁크내에 수납용의 충분한 공간을 남겨놓도록 한다.
도 20을 참조하면, 차량의 변환방법은, 차량 내에 제1 사용자 인터페이스(238) 및/또는 제2 사용자 인터페이스(240)을 임의사양으로 포함할 수 있다. 도시된 실시형태에 따르면, 제1 사용자 인터페이스(238) 및 제2 사용자 인터페이스(240)의 양자는 차량의 계기판상에 장착되며, 선택적으로는 차량을 통틀어 다수개의 영역중의 어디에도 마련될 수 있다(예를 들면, 중앙콘솔, 오버헤드 시스템, 측면패널 등). 제1 사용자 인터페이스(238) 및 제2 사용자 인터페이스(240)의 양자는 사용자에 의하여 온위치 및 오프위치의 사이에서 선택적으로 전환될 수 있도록 구성된다. 제1 사용자 인터페이스(238)는 사용자로 하여금 하이브리드 구동시스템(100)을 턴온 또는 턴오프 제어하도록 할 수 있다. 하이브리드 구동시스템(100)이 턴오프되면, 차량은 단순히 비(非) 하이브리드 차량으로서만 운전된다. 제2 사용자 인터페이스(240)는, 사용자로 하여금 배터리(108)가 언제 충전될 것인지를 선택적으로 제어하도록 한다. 상기한 바와 같이, 제1 사용자 인터페이스(238) 및 제2 사용자 인터페이스(240)들은 임의사양이다. 이와 같이, 하이브리드 구동 시스템(100)은 언제 차량이 하이브리드 모드로 운전될 것인지 및/또는 언제 배터리(108)가 충전되는지에 대한 직접적인 제어를 사용자에게 허용하지 않고서도 기능할 수 있다.
도 2a 내지 도 21은 단순히 하이브리드 구동시스템(100)을 수납할 수 있는 차량의 일 실시형태 및 하이브리드 운전 시스템의 일 실시형태만을 도시하고 있는 것뿐임을 이해해야 한다. 하이브리드 구동시스템(100)은 변환공정을 단순화하기 위하여 하나의 키트로서 마련되었다. 이 키트는 일반적으로 전기모터(104), 모터제어 유니트(106), 배터리(108), 하이브리드 구동시스템 풀리(204), 아이들러 풀리 브래킷(212), 수직 브래킷(214), 모터장착 브래킷(216), 공조기의 압축기 브래킷(218), 아이들러 풀리(224), 연료스위치(226), 클러치페달 하부스위치(228), 접속배선함(230), 절연기(232), 제어모듈(234) 및 충전기(236)를 포함한다. 다른 실시형태에 따르면, 하이브리드 구동시스템(100)은 개별적인 구성품으로서 및/또는 상술한 구성품 중의 어느 하나 이상의 조합으로 제공될 수 있다.
하이브리드 구동시스템(100)이 원천장비 제조업체에 의하여 사용될 때에는, 하이브리드 구동시스템(100)은 개장 키트의 일부로 포함되는 것과 동일한 부품들은 전부 포함하지 않을 수도 있다. 예를 들어, 원천장비 제조업체들은 차량의 기존 알터네이터를 전기모터(104)로 대체할 것이고, 차량의 기존 배터리를 배터리(108)로 대체할 것이다. 그러한 모든 변경은 본 발명의 범위내에 있는 것으로 의도된다.
도시된 실시형태들에 나타낸 챠랑 및 하이브리드 구동시스템의 구성 및 배치는 예시적인 것일 뿐이라는 점에 주목하는 것이 중요하다. 비록 본 발명의 일부 실시형태들만이 본 개시내용 중에 상세하게 기술되었지만, 본 개시내용을 일람한 본 기술분야의 통상의 기술자라면 언급된 기술적 요부의 신규한 내용 및 장점으로부터 실질적으로 벗어나지 않고서도 많은 변경이 가능하다는 점을 쉽게 인식할 수 있다(예를 들면, 다양한 요소들의 크기, 규격, 구조, 형상 및 비율, 파라미터값, 장착구조, 재료의 사용, 색상, 위치등의 변형). 예를 들어, 일체로 형성된 것으로 나타낸 요소들은 복수의 부품으로 구성된 것으로 형성될 수 있고, 복수의 부품으로서 나타낸 요소들은 일체적으로 형성될 수도 있으며, 인터페이스의 작동은 반대로 될 수도 있고, 다르게 변형될 수도 있으며, 구성의 길이 또는 폭 및/또는 부재 또는 코넥터 또는 기타 시스템의 요소들도 변경될 수 있다. 또한, 하이브리드 구동시스템(100)은 특정한 적용시의 필요에 따라서 적절한 많은 방식으로 작동될 수 있다. 또한, 도 1a에 도시된 하이브리드 구동시스템과 유사하게, 도 1b에 도시된 하이브리드 구동시스템은 전륜구동, 후륜구동 및/또는 4륜구동 차량에서 사용될 수 있다. 또한, 하이브리드 구동시스템이 키트로서 제공된다면, 그러한 키트는 시스템이 차량에 대하여 연결되도록 하는 다수의 부가적인 센서 및/또는 하드웨어들의 어느 것도 포함할 수 있다. 시스템의 요소 및/또는 조립체는 충분한 강도 또는 내구성을 제공하는 광범위한 재료중의 어느 것으로도 광범위한 색상, 조직 및 조합으로 구성될 수 있음에 주목해야 한다. 따라서, 그러한 모든 변경은 본 발명의 범위내에 포함되는 것으로 의도된 것이다. 바람직한 실시형태 및 기타 예시적인 실시형태에 대한 설계, 작동조건 및 구조에 있어서의 기타 대체, 변형, 변경 및 생략 등은 본 발명의 요지를 벗어나지 않고서도 만들어질 수 있다.
선택적인 실시형태에 따라 어떠한 공정의 순서 또는 방법의 단계들이 변화되거나 또는 재구성될 수 있다. 청구항에 있어서는, 어떠한 기능식 청구항들도 기술된 기능을 수행하도록 본 명세서내에 기재된 구조 및, 구조적 등가물뿐 아니라 등가적인 구조까지도 포괄하도록 의도된 것이다. 바람직한 실시형태 및 기타 예시적인 실시형태에 대한 설계, 작동구조 및 배치에 있어서의 기타 대체, 변형, 변경 및 생략등도 첨부된 청구항에 표현된 본 발명의 요지를 벗어나지 않고서도 만들어질 수 있다.

Claims (34)

  1. 최고출력 정격을 가지는 내연기관; 및,
    그 내연기관의 크랭크축을 회전시킴에 있어 내연기관을 지원하기 위하여 그 내연기관에 연결되는 전기모터를 포함하며, 전기모터는 내연기관의 최고출력 정격의 약 십분의 일 미만의 연속출력 정격을 가지는 하이브리드 차량.
  2. 제 1 항에 있어서, 전기모터는 내연기관에 대한 지원을 제공할 때 적어도 가끔씩 그의 연속출력 이상으로 작동하는 차량.
  3. 제 2 항에 있어서, 내연기관에 대한 지원을 제공할 때, 전기모터는 적어도 가끔씩 전기모터의 최고출력 정격으로 작동하는 차량.
  4. 제 3 항에 있어서, 전기모터의 최고출력 정격은 그 전기모터의 연속출력 정격의 대략 3배와 5배 사이로 큰 것인 차량.
  5. 제 3 항에 있어서, 전기모터의 최고출력 정격 단독으로는 차량의 전체 토크요구를 충족시키기에는 부족한 것인 차량.
  6. 제 3 항에 있어서, 전기모터는 펄스의 형태로만 전기모터의 최고출력 정격으로 작동하는 차량.
  7. 제 6 항에 있어서, 펄스의 지속시간은 대략 4초 미만인 차량.
  8. 제 1 항에 있어서, 전기모터에 전력을 공급하도록 구성되는 에너지 저장요소를 더 포함하는 차량.
  9. 제 8 항에 있어서, 에너지 저장요소는 적어도 한 개의 납축전지를 포함하는 차량.
  10. 제 8 항에 있어서, 에너지 저장요소는 적어도 하나의 수퍼 캐패시터, 울트라 캐패시터, 리튬이온전지 및 니켈 메탈 하이드라이드 전지중의 하나를 포함하는 차량.
  11. 제 1 항에 있어서, 전기모터의 연속출력 정격은 내연기관의 최고출력 정격의 십분의 일과 사십분의 일의 사이인 차량.
  12. 제 11 항에 있어서, 전기모터의 연속출력 정격은 내연기관의 최고출력 정격의 십오분의 일과 사십분의 일의 사이인 차량.
  13. 제 12 항에 있어서, 전기모터의 연속출력 정격은 내연기관의 최고출력 정격의 이십분의 일과 사십분의 일의 사이인 차량.
  14. 제 1 항에 있어서, 내연기관의 피크출력 정격은 대략 47마력이며, 전기모터의 연속출력 정격은 대략 3.5 킬로와트인 차량.
  15. 제 1 항에 있어서, 내연기관의 최고출력 정격은 대략 80마력이며, 전기모터의 연속출력 정격은 대략 6 킬로와트인 차량.
  16. 내연기관과 변속기를 가지는 차량용 하이브리드 구동시스템으로서:
    변속기의 반대쪽 엔진 측부상에서 내연기관의 크랭크축에 연결되도록 구성되며, 크랭크축을 회전함에 있어 내연기관에 대한 지원을 제공하도록 구성되고, 내연기관의 최고출력 정격의 약 십분의 일 미만의 연속출력 정격을 가지는 전기모터와;
    전기모터에 전력을 공급하도록 구성되는 적어도 한 개의 에너지 저장요소; 및,
    적어도 한 개의 에너지 저장요소로부터 전기모터로 보내지는 전력량을 제어하도록 구성된 모터제어 유니트를 포함하는 하이브리드 구동시스템.
  17. 제 16 항에 있어서, 전기모터의 연속정격 출력은 내연기관의 최고출력 정격의 십분의 일과 사십분의 일 사이에 있는 하이브리드 구동시스템.
  18. 제 16 항에 있어서, 전기모터는 적어도 한개의 3상 유도전동기 및 브러시레스 DC모터를 포함하는 하이브리드 구동시스템.
  19. 제 16 항에 있어서, 전기모터는 내연기관에 대한 지원을 제공할 때 적어도 가끔씩 그의 연속출력 이상으로 작동하는 하이브리드 구동시스템.
  20. 제 19 항에 있어서, 전기모터는 내연기관에 대한 지원을 제공할 때 적어도 가끔씩 그 전기모터의 최고출력 정격으로 작동하는 하이브리드 구동시스템.
  21. 제 20 항에 있어서, 전기모터의 최고출력 정격은 그 전기모터의 연속출력 정격의 대략 3배와 5배 사이로 큰 것인 하이브리드 구동시스템.
  22. 제 20 항에 있어서, 전기모터는 펄스의 형태로만 전기모터의 최고출력 정격으로 작동하는 하이브리드 구동시스템.
  23. 제 22 항에 있어서, 펄스의 지속시간은 대략 4초 미만인 하이브리드 구동시스템.
  24. 하이브리드 차량의 배기가스 저감방법으로서:
    내연기관이 차량에 대한 원동기로서 기능하도록 사용하는 것;
    내연기관의 크랭크축의 회전에 있어 전기모터가 내연기관을 지원하도록 사용하고, 전기모터는 내연기관의 최고출력 정격의 약 사십퍼센트 미만의 연속출력 정격을 가지는 것; 또한,
    크랭크축을 회전함에 있어 내연기관을 지원하기 위하여 적어도 가끔씩 전기모터를 그의 최고출력 정격으로 작동하는 것; 및,
    최고출력 정격에서의 작동시에는 전기모터를 짧은 펄스로 작동하는 것을 포함하는 방법.
  25. 제 24 항에 있어서, 짧은 펄스들의 지속시간은 대략 4초 미만인 방법.
  26. 제 24 항에 있어서, 전기모터에 전력을 공급하기 위하여 에너지 저장요소를 사용하고, 에너지 저장요소는 적어도 한 개의 수퍼 캐패시터, 울트라 캐패시터, 리튬이온전지 및 니켈 메탈 하이드라이드 전지중의 한개를 포함하는 방법.
  27. 제 26 항에 있어서, 에너지 저장요소는 직렬연결된 다수개의 납축전지를 포함하는 방법.
  28. 제 27 항에 있어서, 전기모터가 납축전지 충전용 발전기로서 사용되는 동안 재생모드로 작동하도록 구성되는 방법.
  29. 하이브리드 차량의 배기가스 저감방법으로서:
    내연기관을 차량의 원동기로 사용하는 것;
    내연기관의 크랭크축의 회전에 있어 하나 이상의 전기모터가 내연기관을 지원하도록 사용하고, 하나 이상의 전기모터는, 내연기관의 최고출력 정격의 대략 십분의 일과 사십분의 일 사이에서 유지되는 복합식 연속출력 정격을 가지는 것; 및,
    크랭크축을 회전함에 있어 내연기관을 지원할 때, 하나 이상의 전기모터를 적어도 가끔씩 연속출력 정격 이상으로 작동하는 것을 포함하는 방법.
  30. 제 29 항에 있어서, 하나 이상의 전기모터를 연속정격 이상으로 작동할 때 짧은 펄스형식으로 작동하는 것을 더 포함하는 방법.
  31. 제 30 항에 있어서, 짧은 펄스들의 지속시간은 대략 4초 미만인 방법.
  32. 제 29 항에 있어서, 하나 이상의 전기모터는 AC 유도전동기를 포함하는 방법.
  33. 제 29 항에 있어서, 하나 이상의 전기모터를 연속정격 이상으로 작동하는 것은 하나 이상의 전기모터를 최고출력 정격으로 작동하는 것을 포함하는 방법.
  34. 제 33 항에 있어서, 하나 이상의 전기모터의 최고출력 정격은 하나 이상의 전기모터의 복합식 연속출력 정격의 대략 3배와 5배 사이로 큰 것인 방법.
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