KR20160080607A - 리튬-폴리머 배터리를 이용한 하이브리드 자작자동차 - Google Patents

리튬-폴리머 배터리를 이용한 하이브리드 자작자동차 Download PDF

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Abstract

차체 프레임, 제동 시스템 및 구동 시스템을 포함하는 하이브리드 자작자동차에서, 상기 구동 시스템은, 엔진, 모터, 발전기 및 배터리를 포함한다. 상기 엔진은 동력축에 스프라켓을 통해 연결되어 상기 동력축의 제1 구동력을 제공한다. 상기 모터는 상기 동력축에 연결된 제1 구동부에 제2 구동력을 제공한다. 상기 발전기는 상기 동력축에 상기 제1 구동부와 소정 거리 이격되어 연결된 제2 구동부로부터 동력을 제공받는다. 상기 배터리는 상기 발전기에서 발생된 전력으로 충전되고, 충전된 전력을 상기 모터로 제공한다.

Description

리튬-폴리머 배터리를 이용한 하이브리드 자작자동차{HYBRID CAR HAVING Li-Po BATTERY}
본 발명은 하이브리드 자작자동차에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 리튬-폴리머 배터리를 이용한 하이브리드 자작자동차에 관한 것이다.
최근에는 자작 자동차에 대한 연구 개발 및 제작이 국내에서도 활발하게 진행되고 있으며, 전세계적으로는 자작 자동차의 제작을 위한 국제규격을 설정하고 해당 규격을 따라 각자가 자작 자동차를 제작하고 있다. 특히, 이러한 자작 자동차의 제작을 통해 자작 자동차 경진 대회 또는 경주 대회 등의 대회가 개최되고 있으며 해마다 다양한 종류의 자작 자동차들이 제작되어 출품되고 있다.
통상적으로 이러한 자작 자동차는 오토바이에 사용되는 125cc 급의 엔진을 사용하며 이를 구동바퀴로 전달하기 위한 동력전달장치를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이와 관련하여 대한민국 특허출원 제10-2009-0021521호에서도 종래의 가솔린 엔진을 동력전달장치로 전달하는 기술을 개시하고 있다.
그러나, 최근 자동차 분야에서의 친환경 자동차의 개발과 그 궤를 같이하여, 자작 자동차 분야에서도 하이브리드 자작 자동차와 같은 친환경 자작 자동차의 개발이 진행되고 있다. 다만, 현재까지는 하이브리드 자작 자동차에 대한 구체적인 제작 사례나 출품 사례가 없으며, 특히 자작 자동차의 구조적 특징을 고려한 하이브리드 자작 자동차에 관한 연구는 매우 미진한 상황이다.
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 연료 소비를 최소화하여 에너지 효율을 향상시킨 하이브리드 자작 자동차에 관한 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 하이브리드 자작자동차는 차체 프레임, 제동 시스템 및 구동 시스템을 포함한다. 상기 구동 시스템은, 엔진, 모터, 발전기 및 배터리를 포함한다. 상기 엔진은 동력축에 스프라켓을 통해 연결되어 상기 동력축의 제1 구동력을 제공한다. 상기 모터는 상기 동력축에 연결된 제1 구동부에 제2 구동력을 제공한다. 상기 발전기는 상기 동력축에 상기 제1 구동부와 소정 거리 이격되어 연결된 제2 구동부로부터 동력을 제공받는다. 상기 배터리는 상기 발전기에서 발생된 전력으로 충전되고, 충전된 전력을 상기 모터로 제공한다.
일 실시예에서, 상기 스프라켓, 상기 제1 구동부 및 상기 제2 구동부는 상기 동력축에 동시에 연결되어 상기 동력축을 회전시키거나 상기 동력축의 회전에 따라 구동될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 구동 시스템은, 상기 동력축의 회전속도로부터 속력을 센싱하는 속도센서, 상기 모터를 제어하는 제1 컨트롤러, 및 상기 발전기를 제어하는 제2 컨트롤러를 더 포함할 수 있다. 상기 속도센서에서 센싱된 속력이 기 설정 속력 이상이면 상기 제2 컨트롤러의 제어에 의해 상기 발전기가 작동되고, 브레이킹(braking) 상태에서 상기 속도센서에서 센싱된 속력이 감소하는 경우 상기 제2 컨트롤러의 제어에 의해 상기 발전기에서 발생되는 전력은 상기 배터리로 충전될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 배터리와 연결되며 상기 차체 프레임의 외부에 배치되어, 태양광을 통해 전력을 생산하여 상기 배터리로 전력을 충전하는 태양광 모듈을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 상대적으로 길게 연장된 동력축에 스프라켓, 제1 구동부 및 제2 구동부가 연속적으로 연결되며, 엔진 및 모터가 상기 동력축에 직접 연결되어 구동력을 독립적으로 또는 선택적으로 제공할 수 있으므로 주행 상황에 적합한 구동 제어가 가능하다.
특히, 제2 구동부에는 발전기가 직접 연결되어 제2 구동부의 구동에 따라 전력을 생산하므로 전력 재생산 효율이 향상된다.
나아가, 속도센서에 의해 주행 속력이 센싱되고, 주행 속력 또는 주행 속력의 변화에 따라 발전기 동작의 제어가 가능하므로 배터리 충전 효율이 향상된다. 또한, 태양광모듈을 통해서도 배터리의 충전이 가능하므로, 배터리 충전 효율이 더욱 향상될 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 종래기술에 의한 하이브리드 자동차의 구조를 도시한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 하이브리드 자작 자동차를 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2의 구동 시스템을 도시한 모식도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1a 및 도 1b는 종래기술에 의한 하이브리드 자동차의 구조를 도시한 모식도이다.
도 1a는 종래기술에 의한 하이브리드 자동차의 직렬방식 구동시스템을 도시한 모식도이며, 도 1a에 도시된 바와 같이 직렬방식 구동시스템에서는 엔진(14)이 직접 구동축(11)에 연결되어 구동되는 대신 전기를 발생시키는 발전기(13)와 구동모터(12)를 통해 간접적으로 연결되는 것을 특징으로 한다.
이러한 직렬방식 구동시스템은 상대적으로 간단한 구조와 용이한 제어가 가능하고, 최적 점에서 엔진이 운전되므로 유해배출 가스가 적은 장점이 있으나, 자동차 구동을 위해 엔진출력을 직접 사용하지 못하고 엔진에 의해 충전된 축전지의 전원을 전기 모터가 사용하므로 동력전달 효율이 높지 않은 단점이 있다.
도 1b는 종래기술에 의한 하이브리드 자동차의 병렬방식 구동시스템을 도시한 모식도이며, 도 1b에 도시된 바와 같이 병렬방식 구동시스템에서는 엔진(24)과 모터(22)가 각각 구동축(21)과 직접 연결되어, 상기 구동축(21)에는 2개 이상의 구동원이 연결되는 것을 특징으로 한다. 그리하여, 상기 엔진(24) 또는 상기 모터(22)는 선택적으로 또는 병행하여 상기 구동축(21)을 구동할 수 있게 된다.
이러한 병렬방식 구동시스템은 주행거리가 짧고 큰 출력이 필요 없는 상황에서는 모터(22)의 구동만으로 동력을 제공하고, 고속 주행이나 큰 출력이 필요한 상황에서는 엔진(24)의 구동으로 동력을 제공하는 것을 특징으로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 하이브리드 자작 자동차를 도시한 사시도이다. 도 3은 도 2의 구동 시스템을 도시한 모식도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 실시예에 의한 하이브리드 자작 자동차(30)는 구동 시스템(100), 자체 프레임(200) 및 제동 시스템(300)을 포함하며, 추가로 조향 시스템 등과 같은 자동차의 운행을 위한 기본적인 시스템들을 모두 포함한다.
상기 제동 시스템(300) 및 상기 자체 프레임(200)은 종래 기술에 의한 자작 자동차(30)에 적용되는 제동 시스템 및 자체 프레임과 실질적으로 동일한 기술이 적용되므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략하고, 이하에서는 구동 시스템(100)을 중심으로 본 실시예에 의한 하이브리드 자작 자동차(30)에 대하여 설명한다.
다만, 본 실시예에에 의한 상기 하이브리드 자작 자동차(30)는 상기 자체 프레임(200)의 상부에 고정된 태양광모듈(170)을 포함하며, 상기 태양광모듈(170)은 상기 자작 자동차(30)의 운행 또는 정지시 태양광으로부터 전력을 생산하여 후술되는 상기 구동 시스템(100)의 배터리(150)로 제공하여, 상기 배터리(150)를 충전시킨다. 이 경우, 상기 태양광모듈(170)은 도 2에 도시된 것 외에도 상기 자체 프레임(200)의 다양한 위치에 구비될 수 있다.
상기 구동 시스템(100)은 동력축(110), 엔진(120), 모터(130), 발전기(140), 배터리(150) 및 속도센서(160)를 포함한다.
상기 동력축(110)은 제1 방향으로 연장되며, 상기 동력축(110)은 상기 엔진(120) 또는 상기 모터(130)로부터 구동력을 제공받아 회전한다.
다만, 본 실시예에서는 상기 동력축(110)은 제1 방향으로 상대적으로 길게 연장되며, 이에 따라 상기 동력축(110)에는 스프라켓(sprocket)(112), 제1 구동부(113) 및 제2 구동부(114)가 차례로 일렬로 고정될 수 있다.
상기 스프라켓(112)은 상기 엔진(120)과 연결되어, 상기 엔진(120)으로부터 발생되는 제1 구동력을 상기 동력축(110)으로 제공한다. 이 경우, 상기 엔진(120)은 일반적인 가솔린 엔진으로 상기 하이브리드 자작자동차(30)의 운행시 높은 출력이 필요하거나 고속 주행이 필요한 경우 상기 동력축(110)으로 제1 구동력을 제공할 수 있다.
상기 제1 구동부(113) 및 상기 제2 구동부(114)는 한 쌍의 바퀴부에 해당될 수 있으며, 상기 제1 및 제2 구동부들(113, 114) 사이에는 차동기어(111)가 구비된다.
상기 차동기어(111)는 일반적인 자동차에도 적용되는 것으로, 본 실시예에 의한 하이브리드 자작자동차(30)가 주행 중 미끄러지지 않고 선회 시 원활한 회전이 가능하며, 요철부위의 주행시 일정한 속도를 유지할 수 있도록 구비된다. 특히, 본 실시예에서는 상기 동력축(110)이 상대적으로 길게 연장되므로 상기 차동기어(111)가 반드시 구비되어야 주행 안전성이 향상된다.
상기 제1 구동부(113)는 상기 모터(130)와 연결되어, 상기 모터(130)로부터 제2 구동력을 제공받아 상기 동력축(110)과 함께 회전하게 된다.
상기 모터(130)는 제1 콘트롤러(131)에 의해 동작이 제어되며, 상기 배터리(150)에 충전된 전기를 바탕으로 구동되는 전기모터일 수 있다.
상기 제1 콘트롤러(131)는 상기 모터(130)가 구동되는 주행상황이 발생되는 경우, 예를 들어 저속 주행이나 정속 주행 또는 높은 토크가 필요하지 않은 주행에서 상기 모터(130)를 구동시키며, 상기 주행상황의 변화를 바탕으로 상기 모터(130)의 구동을 제어한다.
이 경우, 상기 제1 콘트롤러(131)는 상기 배터리(150)의 잔량을 고려하여 상기 모터(130)의 지속 주행 여부를 판단할 수 있다.
반면, 상기 제2 구동부(114)는 상기 발전기(140)와 연결되어, 상기 동력축(110)이 상기 엔진(120) 또는 상기 모터(130)로부터 구동력을 제공받아 회전하여 상기 제2 구동부(114)도 동시에 회전하는 경우, 상기 제2 구동부(114)의 회전력을 바탕으로 전력을 발생한다.
이렇게 상기 발전기(140)로부터 발생된 전력은 상기 배터리(150)로 제공되어, 상기 배터리(150)가 충전된다.
이 경우, 상기 제2 콘트롤러(141)는 상기 발전기(140)의 동작을 제어하며, 특히 주행상황을 고려하여 상기 발전기(140)의 동작을 제어하게 된다.
상기 배터리(150)는 상기 발전기(140)로부터 발생된 전력 및 상기 태양광 모듈(170)로부터 발생된 전력을 저장하며, 상기 제1 컨트롤러(131)의 제어에 의해 상기 모터(130)의 구동이 필요한 경우 상기 저장된 전력을 상기 모터(130)로 제공한다.
한편, 본 실시예에서는 상기 구동 시스템(100)은 속도센서(160)를 더 포함한다. 상기 속도센서(160)는 상기 동력축(110)의 회전속도를 바탕으로 상기 하이브리드 자작자동차(30)의 속력을 센싱한다.
상기 속도센서(160)에서 센싱된 상기 자작자동차(30)의 속력에 관한 정보는 상기 제2 컨트롤러(141)로 제공되는데, 상기 제2 컨트롤러(141)는 상기 속력에 관한 정보를 바탕으로 상기 발전기(140)의 동작을 제어한다.
예를 들어, 상기 속도센서(160)에서 센싱된 속력이 기 설정 속력, 예를 들어 30km/h 이상인 경우, 상기 제2 컨트롤러(141)는 상기 발전기(140)가 동작을 시작하도록 제어한다. 그리하여, 상기 모터(130)의 구동을 위한 전력의 충전을 진행한다. 상기 제2 컨트롤러(141)는 한 번 발전기(140)의 동작을 시작하도록 제어하면, 상기 속력이 0km/h로 감속되는 때까지 상기 발전기(140)의 동작을 계속 유지하여 상기 배터리(150)의 충전 효율을 높이며, 상기 자작자동차(30)가 멈춤과 동시에 상기 발전기(140)의 동작도 멈추도록 제어한다.
특히, 자동차가 브레이킹(braking) 상태인 경우라면, 상기 모터(130)의 구동이 불필요하므로 상기 제2 콘트롤러(141)는 상기 발전기(140)의 동작을 계속 유지하여 상기 배터리(150)의 충전 효율을 향상시킨다.
상기와 같은 본 발명의 실시예들에 의하면, 상대적으로 길게 연장된 동력축에 스프라켓, 제1 구동부 및 제2 구동부가 연속적으로 연결되며, 엔진 및 모터가 상기 동력축에 직접 연결되어 구동력을 독립적으로 또는 선택적으로 제공할 수 있으므로 주행 상황에 적합한 구동 제어가 가능하다.
특히, 제2 구동부에는 발전기가 직접 연결되어 제2 구동부의 구동에 따라 전력을 생산하므로 전력 재생산 효율이 향상된다.
나아가, 속도센서에 의해 주행 속력이 센싱되고, 주행 속력 또는 주행 속력의 변화에 따라 발전기 동작의 제어가 가능하므로 배터리 충전 효율이 향상된다. 또한, 태양광모듈을 통해서도 배터리의 충전이 가능하므로, 배터리 충전 효율이 더욱 향상될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 하이브리드 자작자동차는 자작 자동차 제작에 사용될 수 있는 산업상 이용 가능성을 갖는다.
30 : 하이브리드 자작 자동차
100 : 구동 시스템 110 : 동력축
111 : 차동기어 112 : 스프라켓
113 : 제1 구동부 114 : 제2 구동부
120 : 엔진 130 : 모터
131 : 제1 컨트롤러 140 : 발전기
141 : 제2 컨트롤러 150 : 배터리
160 : 속도센서 170 : 태양광 모듈
200 : 차체 프레임 300 : 제동 시스템

Claims (4)

  1. 차체 프레임, 제동 시스템 및 구동 시스템을 포함하는 하이브리드 자작자동차에서, 상기 구동 시스템은,
    동력축에 스프라켓을 통해 연결되어 상기 동력축의 제1 구동력을 제공하는 엔진;
    상기 동력축에 연결된 제1 구동부에 제2 구동력을 제공하는 모터;
    상기 동력축에 상기 제1 구동부와 소정 거리 이격되어 연결된 제2 구동부로부터 동력을 제공받는 발전기; 및
    상기 발전기에서 발생된 전력으로 충전되고, 충전된 전력을 상기 모터로 제공하는 배터리를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자작자동차.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스프라켓, 상기 제1 구동부 및 상기 제2 구동부는 상기 동력축에 동시에 연결되어 상기 동력축을 회전시키거나 상기 동력축의 회전에 따라 구동되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자작자동차.
  3. 제2항에 있어서, 상기 구동 시스템은,
    상기 동력축의 회전속도로부터 속력을 센싱하는 속도센서;
    상기 모터를 제어하는 제1 컨트롤러; 및
    상기 발전기를 제어하는 제2 컨트롤러를 더 포함하며,
    상기 속도센서에서 센싱된 속력이 기 설정 속력 이상이면 상기 제2 컨트롤러의 제어에 의해 상기 발전기가 작동되고,
    브레이킹(braking) 상태에서 상기 속도센서에서 센싱된 속력이 감소하는 경우 상기 제2 컨트롤러의 제어에 의해 상기 발전기에서 발생되는 전력은 상기 배터리로 충전되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자작자동차.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 배터리와 연결되며 상기 차체 프레임의 외부에 배치되어, 태양광을 통해 전력을 생산하여 상기 배터리로 전력을 충전하는 태양광 모듈을 더 포함하는 하이브리드 자작자동차.
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