KR20230099464A - 에너지 하베스트 복원 제동 시스템 - Google Patents

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김경식
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청주대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 에너지 하베스트 복원 제동 시스템에 관한 것으로, 휠 또는 차량의 운동 에너지를 흡수하여 변형에너지 또는 전기에너지로 저장하는 에너지 하베스트(Enery Harvest, EH) 메커니즘; 및 상기 에너지 하베스트 메커니즘의 출력으로 차량에 흡수된 에너지를 운동 에너지 및 토크로 복원하는 에너지복원(Enery Restore, ER) 메커니즘;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

에너지 하베스트 복원 제동 시스템 {ENERGY HARVEST AND RESTORE BREAKING SYSTEM}
본 발명은 에너지 하베스트 복원 제동 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 제동시 차량의 소산된 에너지를 저장 및 복원하도록 구성된 에너지 하베스트 복원 제동 시스템에 관한 것이다.
최근 연료 효율이 높은 차량을 제조하는 것은 자동차 산업이 발전한 이래로 중요한 주제에 해당되고 있다. 특히, 화석 연료 자원이 감소함에 따라 이 주제의 중요성이 매우 높아지고 있고, 연료 비용 증가로 인해 자동차 제조업체는 보다 연료가 효율적인 차량을 생산하기 위해 다양한 방법을 적용하고 있다.
한 가지 대안으로는 화석 연료 자원을 대신하여 태양광 발전이나 전기와 같은 다른 연료원을 사용하는 것이고, 또 다른 대안으로는 하이브리드 연료원을 사용하는 시스템을 만드는 것이다. 그러나 하이브리드 및 전기 자동차의 경우 시장의 약 3%만을 구성하는데 반해 내연 기관(IC) 엔진은 여전히 도로를 주행하는 차량 중 대다수 차량에 적용되고 있다..
최근에는 기존의 IC 차량의 연비 향상이 매우 중요해졌으며, 여기에는 엔진 내 마찰 감소와 효율적인 무단 변속 시스템이 포함된다.
IC 엔진이 장착된 기존 차량에서 에너지는 공기와 연료의 연소(초기 에너지 형태)에서 바퀴의 회전 운동 에너지(최종 에너지 형태)인 다른 형태의 에너지로 변환된다. 그럼에도 불구하고 이러한 에너지 변환에는 다양한 손실이 포함되고 있는데, 이러한 에너지 손실은 대부분 엔진의 연소 현상과 접촉 영역의 마찰, 즉 샤프트와 베어링 간의 접촉 또는 맞물림 기어 간의 치면 접촉으로 인한 열로 발생하고 있다.
자동차를 정지시키기 위한 구성으로, 움직이는 차량의 운동 에너지를 자동차의 각 바퀴에 있는 브레이크 패드와 브레이크 디스크 사이의 마찰에 의해 발생하는 열 에너지로 변환하는 마찰 제동 시스템이 사용되고 있다.
이 경우, 자동차의 운동 에너지가 열 에너지로 변환되면 열 에너지는 차량 자체에 흡수되거나 대기 중으로 소산되며, 두 경우 모두 열 에너지가 손실되고 그 후에 다시 얻을 수 없게 된다.
따라서, 비용이 많이 들고 재생이 불가능하며 공해를 일으키는 화석연료 사용의 한계를 고려하여 보다 경제적인 연료 사용을 지원하기 위해 브레이크 에너지 시스템을 복원하게 된다.
전기식에서 제동 에너지를 복원하는 것은 제동으로 인해 손실된 운동 에너지를 수확하고 이를 전기적인 형태의 에너지로 변환하여 다양한 응용 분야에서 사용할 수 있다.
이러한 에너지 복원 제동 시스템은 모션 제어 시스템의 액츄에이터와 같은 다양한 기계에 제안되고 현재 하이브리드 전기 자동차에 사용되는 것으로 더 널리 알려져 있다.
또한, 상술한 전기식 시스템의 가장 중요한 장점 중 하나는 전기 자동차에 사용되는 배터리의 높은 비에너지 밀도(100kJ/kg)이며, 이는 후술한 바와 같이 강철 스프링과 같은 대부분의 기계 시스템보다 높게 나타나고 있다.
한편, 전기 및 하이브리드 차량의 전기 에너지 복원 시스템은 상당한 단점이 나타나고 있다. 일반적으로 자동차가 제동할 때 에너지 수확을 위해 자동차의 운동 에너지를 전기로 변환하는 발전기 모터와 스위치의 복잡한 조합이 포함된다.
또한, 빈번한 충전 회로의 연결 및 분리는 배터리의 비효율적인 사용을 초래하고 배터리의 수명 주기를 단축시키며 전기 시스템은 추가 중량 및 추가 비용이 발생한다.
또한, 수확된 에너지는 기계적 형태에서 전기적 형태로 변환되기 때문에 변환 과정에서 많은 양의 에너지가 손실되며, 수확된 에너지를 기계적 에너지로 복원하는 동안 에너지 방출에 상당한 시간이 필요하다.
전기 에너지 복원 시스템 및 하이브리드 자동차의 또 다른 단점은 에너지가 배터리에 저장되기 때문에 공간을 많이 차지하고 무겁다는 것이다. 또한, 전기 견인 모터는 일반적으로 에너지를 방출하면서 차량을 가속하는 데 사용된다. 이러한 유형의 에너지 회수 시스템은 중량을 증가시키고 신뢰성을 감소시킬 뿐 아니라 효율을 극적으로 감소시켜, 전기 모터, 발전기 및 배터리가 없는 하이브리드 스타일의 에너지 회수 기술은 일반 IC 차량에 직접 적용할 수 없게 된다.
반면, 기계적 에너지 복원 시스템은 상당한 장점이 있다. 이러한 유형의 시스템은 전기 모터와 배터리를 사용하지 않는 이점을 얻기 위해 기존 IC 차량에 적용할 수 있으며, 에너지 저장의 가장 기본적인 형태 중 하나인 탄성 변형(스프링) 에너지의 형태로 운동 에너지를 수확하는 것은 상당한 이점이 된다.
스프링의 경우, 단순성, 저렴한 비용 및 낮은 부작용의 장점을 지니며 이는 스프링을 실행 가능한 후보로 만들수 있다. 또한, 강철 스프링의 비에너지 밀도(0.3kJ/kg)는 전기 자동차의 배터리보다 작지만 이러한 경향은 저장 시스템의 전력 밀도에서 반대된다. 전력 밀도는 제한된 시간 동안 정적 차량의 높은 관성을 가속하는 중요한 요소이기 때문에 EHRB(Energy Harvest and Restore Braking) 시스템이 스프링을 에너지 복원(ER) 모드의 필수 요소로 만들고 있다. 또한, 상술한 스프링은 배터리에 대한 환경 친화적인 대안이며 이러한 설계 방법은 내구성과 신뢰성을 높일 수 있다.
현재의 기계적 에너지 복원 시스템은 제동 시 손실을 방지하기 위해 에너지를 수확하는 복잡한 시스템을 포함한다. 예를 들어, 유압 시스템은 제동 중에 손실되는 에너지를 수확하기 위해 고압 축압기로 구성된 일부 복원 브레이크 시스템에 적용된다. 다른 시스템은 플라이휠과 복잡한 벨트 및 풀리 시스템으로 구성된다.
플라이 휠을 이용한 운동 에너지 복원 시스템에 대한 유사한 연구에서 플라이 휠은 고속으로 회전하여 에너지를 저장한다. 언급된 에너지 복원 제동 시스템은 복잡하고, 상당한 양의 가중치를 추가하며, 많은 공간을 차지하고, 에너지를 수확하는 용량이 낮으며, 시스템의 복잡성 등의 단점을 포함하여 신뢰성이 떨어지는 문제점이 있다.
높은 에너지 효율을 갖는 기계적 에너지 복원 시스템의 주요 장점은 전기 에너지 복원 시스템의 주요 단점이라고 결론지을 수 있다. 따라서, 높은 에너지 용량인 전기 시스템의 주요 장점은 기계적 에너지 복원 시스템의 주요 단점이 된다. 또한 제동 메커니즘의 높은 안전성, 신뢰성 및 내구성인 일반 제동의 핵심 특성을 고려할 때, 전기적 에너지 복원 시스템 및 일반 제동 시스템과 잘 호환되는 기계적 에너지 복원 시스템의 개발이 요구되고 있다.
따라서, 고효율, 고용량 및 안전성의 세 가지 중요한 이점을 포함하며, 일반적인 제동(U) 모드와 병행하여 작동가능하도록 설계 및 제작할 뿐 아니라 에너지 하베스팅(EH) 및 에너지 복원(ER) 모드의 짧은 힘 경로와 함께 에너지 복원(ER) 모드의 1보다 큰 기어비로 인해 출력과 효율성이 증가하여, 복원 에너지가 제한된 시간 동안 많은 중량을 포함하는 차량의 관성을 가속할 수 있는 상당한 토크의 형태로 에너지를 복원하여 추진 시스템을 지원하기에 충분하도록 구성되고, 부피가 크지 않아 가볍고 IC, 전기 및 하이브리드 차량과 시스템의 호환성으로 인해 더 안정적이고 내구성이 뛰어나도록 구성된 에너지 하베스트 복원 제동(Energy Harvest Restore Braking, EHRB) 시스템의 개발이 요구되고 있다.
[특허문헌] KR 10-1346295호 (등록일자 2013. 12. 23)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은, 휠 또는 차량의 운동 에너지를 흡수하여 변형에너지 또는 전기에너지로 저장하는 에너지 하베스트(Enery Harvest, HV) 메커니즘 및 상기 에너지 하베스트 메커니즘의 출력으로 차량에 흡수된 에너지를 운동 에너지 및 토크로 복원하는 에너지복원 메커니즘를 포함하고, 상기 에너지 하베스트 메커니즘은 상기 변형 에너지 또는 전기에너지를 스프링 또는 스프링 시스템에 저장하도록 구성됨으로써, 에너지 하베스팅(EH) 및 에너지 복원(ER) 모드의 짧은 힘 경로와 함께 에너지 복원(ER) 모드의 1보다 큰 기어비로 인해 출력과 효율성이 증가하여, 제동하는 동안 소산된 열 에너지의 높은 비율을 수확하고 차량 가속 시 필요한 에너지 복원이 가능하도록 구성된 에너지 하베스트 복원 제동 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스트 복원 제동 시스템은 휠 또는 차량의 운동 에너지를 흡수하여 변형에너지 또는 전기에너지로 저장하는 에너지 하베스트(Enery Harvest, EH) 메커니즘; 및 상기 에너지 하베스트 메커니즘의 출력으로 차량에 흡수된 에너지를 운동 에너지 및 토크로 복원하는 에너지복원(Enery Restore, ER) 메커니즘;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 에너지 하베스트 메커니즘은, 상기 변형 에너지 또는 전기에너지를 스프링 또는 스프링 시스템에 저장하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 에너지 하베스트 메커니즘은, 에너지 하베스트 과정에서 평행 스프링, 직렬 스프링, 상기 평행 스프링과 직렬 스프링이 조합된 스프링 또는 스프링 시스템 중 선택된 하나에 에너지가 저장되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 에너지 복원 메커니즘은, 에너지 복원을 위한 힘의 경로 기어비(Gear ratio)가 에너지 복원 과정의 출력 토크를 증가시키는 결과를 갖는 1보다 큰 임의의 값이거나 바퀴의 출력 속도를 증가시킬 수 있는 1보다 작은 임의의 값을 갖는 어플리케이션을 기반으로 설정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 에너지 하베스트 복원 제동 시스템은 상기 에너지 하베스트 메커니즘의 공정에서 변형 에너지의 흡수를 중단하거나 연속하여 에너지 흡수량을 제어하는 폴 래칫 메커니즘(Pawl Ratchet Mechanism);을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 폴 래칫 메커니즘은, 상기 에너지복원 메커니즘의 공정에서 변형 에너지의 방출을 중단하거나 연속하여 에너지 복원량을 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 폴 래칫 메커니즘은, 상기 에너지 하베스트 메커니즘의 에너지 흡수량과 상기 에너지복원 메커니즘의 에너지 방출량을 각각 제어하기 위해 시계방향 및 반시계 방향으로 회전이 제어되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 폴 래칫 메커니즘은, 상기 시계방향 및 반시계 방향의 양방향 회전을 제어하기 위해 적어도 2개의 래칫 및 폴 메커니즘 또는 양방향 래칫 및 폴 메커니즘이 적용되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명에 따른 상기 에너지 하베스트 메커니즘 및 상기 에너지복원 메커니즘은, 상호 호환이 가능하며, 제동 메커니즘과 병렬로 작동되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따른 에너지 하베스트 복원 제동 시스템에 의하면, 고효율, 고용량 및 안전성의 세 가지 중요한 이점을 포함하며, 일반적인 제동(U) 모드와 병행하여 작동가능하도록 설계 및 제작할 뿐 아니라 에너지 하베스팅(EH) 및 에너지 복원(ER) 모드의 짧은 힘 경로와 함께 에너지 복원(ER) 모드의 1보다 큰 기어비로 인해 출력과 효율성이 증가하여, 복원 에너지가 제한된 시간 동안 많은 중량을 포함하는 차량의 관성을 가속할 수 있는 상당한 토크의 형태로 에너지를 복원하여 추진 시스템을 지원하기에 충분하도록 구성되고, 부피가 크지 않아 가볍고 IC, 전기 및 하이브리드 차량과 시스템의 호환성으로 인해 더 안정적이고 내구성이 뛰어난 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 에너지를 수확하기 위해 짧은 힘 경로로 구성됨으로써, 마찰 작업과 열로 인한 에너지 손실을 최소화하여 효율적인 에너지 회수가 가능하고 필요한 공간의 최소화가 가능한 효과가 있다.
또한, 에너지복원 메커니즘에서 에너지 복원을 위한 힘의 경로에서 1보다 큰 기어비가 발생할 가능성으로 인해 차량의 휠에 전달되는 토크가 증가하여 추진 시스템의 토크를 증가시켜 차량을 가속하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 에너지 하베스트 복원 제동 시스템은 에너지가 전기적 형태(발전기를 사용하여)로 변환하는 대신 기계적 형태인 변형 에너지(스프링에)로 저장되고 배터리에 저장(일부 화학 반응 사용)한 후 복원되기 때문에 에너지 하베스트 및 에너지 복원 모드가 매우 빠르게 기능하는 효과가 있다.
또한, 에너지 하베스트(EH) 또는 에너지 복원(ER)모드가 작동할 때 기계적 에너지는 다른 형태, 즉 하이브리드 차량에서 구현되는 전기적 형태로 변환되지 않기 때문에 손실되는 에너지의 양이 적고 추진 시스템을 지원하기 위해 더 많은 에너지를 복원할 수 있으며, 에너지를 전달하는 힘 경로의 짧은 길이는 상술한 목표를 보다 원활하게 달성할 수 있도록 에너지 하베스트 복원 제동 시스템을 지원하는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스트 복원 제동(EHRB) 시스템은 에너지 하베스트(EH) 및 에너지 복원(ER) 모드 모두가 통상적인 제동(U) 모드와 병렬로 기능할 수 있도록 구성되어, 시스템의 안정성이 높아지고 제동력이 강해질 뿐 아니라 에너지 하베스트(EH) 및 에너지 복원(ER) 모드가 작동하는 동안 전달된 에너지를 추가로 제어할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스트 복원 제동 시스템(EHRB)은 시스템의 구성요소들이 용이하게 제조 및 조립될 수 있으며, 조립된 에너지 하베스트 복원 제동 시스템(EHRB)은 제한된 중량으로 구성되어 제한된 공간에 수용되어 차륜 내부에 배치가 가능한 효과가 있다.
아울러, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스트 복원 제동(EHRB) 시스템은 신뢰성과 내구성이 향상되고 감속 및 가속 시 시스템의 효율성은 물론 전체 차량 효율성이 향상될 뿐 아니라 IC, 전기 자동차 및 다양한 크기의 하이브리드 자동차를 포함한 다양한 종류의 실제 세계에 적용하기에 적합한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 에너지 하베스트 복원 제동(EHRB) 시스템의 전반적인 구성을 나타내는 구성도이다.
도 2는 분해된 EHRB 시스템에서 에너지 하베스트(EH), 에너지 복원(ER), 중립(N) 및 제동(U) 작업 모드 부분을 나타낸 도이다.
도 3은 EHRB 시스템의 EH 작업 모드와 EH 힘 모드와 관련된 구성을 도시한 도이다.
도 4는 EHRB 시스템의 ER 작동 모드와 ER 힘 경로에 관련된 구성을 도시한 도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명한다. 우선, 도면들 중 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의해야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위해 생략한다.
도 1은 본 발명에 따른 에너지 하베스트 복원 제동(EHRB) 시스템의 전반적인 구성을 나타내는 구성도이고, 도 2는 분해된 EHRB 시스템에서 에너지 하베스트(EH), 에너지 복원(ER), N 및 U 작업 모드 부분을 나타낸 도이다.
본 발명에 따른 에너지 하베스트 복원 제동(Energy Harvest Restore Braking, EHRB) 시스템은 낭비된 브레이크 에너지를 사용하여 차량 추진 시스템을 지원하도록 개발된 것으로, 제동하는 동안 차량의 운동 에너지를 변형 에너지로 수집하고 차량이 가속하려고 할 때 이를 복원하는 동시에 에너지를 다른 형태로 변환하지 않고 기계적 형태로 보존하게 된다.
또한, 상기 에너지 하베스트 복원 제동(EHRB) 시스템은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 에너지 하베스트(Enery Harvest, EH), 에너지 복원(Enery Restore, ER), 중립(N) 및 일반 제동(U)의 네가지 가능한 작동 모드를 포함할 수 있다.
또한, 상기 에너지 하베스트 복원 제동(EHRB) 시스템의 커플러 메커니즘(허브 시프트, 폴 및 아이들러 기어의 결정적인 구성 요소 포함)은 시스템이 에너지 하베스트(EH), 에너지 복원(ER) 또는 중립(N) 모드에서 작동하는지 여부를 결정할 수 있다.
상기 에너지 하베스트 복원 제동(EHRB) 시스템의 커플러 메커니즘은 시스템의 작동모드 즉, 에너지 하베스트(EH), 에너지복원(ER) 또는 중립(N)를 결정한다.
이를 위한 결정적인 구성요소는 에너지 하베트스(EH)와 에너지 복원(ER) 모드 사이에서 시스템의 작동 모드를 전환하기 위한 허브 스프트 폴과 아이들러 기어 구성이다.
또한, 상기 에너지 하베스트 복원 제동(EHRB) 시스템은 일반적인 제동(U) 모드와 병행하여 사용할 수 있다. 따라서, 도로의 자동차 상황과 교통 상황에 따라 운전자는 에너지 하베스트(EH) 및 에너지 복원(ER) 모드를 사용하여 각각 제동 및 추진 시스템을 지원할 수 있으며, 에너지 하베스트 및 에너지 복원 모드를 적용하여 외부 에너지 소비 없이 제동 또는 추진 시스템을 각각 지원할 수 있다.
그 결과 제공하는 동안 많은 양의 소산된 열 에너지를 수집하고 가속을 지원하기 위해 필요할 때 이를 복원하고 더 강력하고 제어 가능한 브레이크, 더 강력한 추진 시스템 및 탑승자의 안전이라는 중요한 목표를 달성할 수 있다.
또한, 상기 에너지 하베스트 복원 제동(EHRB) 시스템은 제한된 공간을 차지하도록 부품의 제조성을 고려하여 제작되어 실제 차륜의 사각지대에서 활용될 수 있도록 구성된다.
또한, 본 발명에 따른 에너지 하베스트 복원 제동 시스템은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 휠 또는 차량의 운동 에너지를 흡수하여 변형에너지 또는 전기에너지로 저장하는 에너지 하베스트(Enery Harvest, EH) 메커니즘 및 상기 에너지 하베스트 메커니즘의 출력으로 차량에 흡수된 에너지를 운동 에너지 및 토크로 복원하는 에너지복원(Enery Restore, ER) 메커니즘을 포함할 수 있다.
도 3은 EHRB 시스템의 EH 작업 모드와 EH 힘 모드와 관련된 구성을 도시한 도이다.
도 3은 에너지 하베스트(EH) 메커니즘에서 에너지 하베스팅의 단계별 절차를 도시하고 있다.
먼저, 회전하는 바퀴의 운동 에너지는 에너지 하베스트 입력(EH in )(209) 으로 에너지 하베스트 복원 제동(EHRB) 시스템에 입력될 수 있다.
또한, 상기 에너지 하베스트 메커니즘은 상기 변형 에너지 또는 전기에너지를 스프링 또는 스프링 시스템에 저장하게 된다.
구체적으로, 상기 에너지 하베스트 메커니즘은 에너지 하베스트(EH)가 필요할 때, 차량 감속을 위해 수확된 에너지가 에너지 하베스트(EH) 힘 경로(210)에 의해 스프링(215)으로 전달되게 된다.
또한, 상기 에너지 하베스트 메커니즘은 에너지 하베스트 과정에서 평행 스프링, 직렬 스프링, 상기 평행 스프링과 직렬 스프링이 조합된 스프링 또는 스프링 시스템 중 선택된 하나로 적용되어 에너지를 저장할 수 있다.
또한, 시프트 로드(207), 결과적으로 시프트 포크(206)를 밀면 허브 시프트(203)가 디스크 허브(202)와 결합된다. 따라서 토크는 기어 허브(204)로 전달되고, 기어 허브의 회전은 에너지를 스프링 드럼(205)으로 전달한다.
또한, 와이어(212)는 스프링(215)을 연장하며, 여기서 에너지 하베스트 출력(EH out )(211) 으로서 변형 에너지가 수확 된다.
스프링 마운트(216)와 함께 스프링 풀리(213, 214)는 에너지를 적절하게 수확하기 위해 스프링(215)을 지지한다.
수확된 에너지의 양을 제어하고 유지하기 위해 폴 로드(301)는 폴(302)을 래칫(303)과 결합하거나 래칫(303)에서 분리하는 데 사용된다.
이러한 유형의 감속은 에너지 하베스트(EH) 모드가 차속을 낮추고 제동 시 상기 에너지 하베스트 복원 제동(EHRB) 시스템의 신뢰성과 차량의 안전성을 높이는 데 매우 효과적일 수 있다.
도 4는 EHRB 시스템의 ER 작동 모드와 ER 힘 경로에 관련된 구성을 도시한 도이다.
본 발명에 따른 에너지복원 메커니즘은 상기 에너지 하베스트 메커니즘의 출력으로 차량에 흡수된 에너지를 운동 에너지 및 토크로 복원한다.
또한, 상기 에너지복원 메커니즘은 에너지 복원을 위한 힘의 경로 기어비(Gear ratio)가 에너지 복원 과정의 출력 토크를 증가시키는 결과를 갖는 1보다 큰 임의의 값이거나 바퀴의 출력 속도를 증가시킬 수 있는 1보다 작은 임의의 값을 갖는 어플리케이션을 기반으로 설정될 수 있다.
도 4는 에너지 복원(ER)모드에서 에너지 복원의 단계별 절차를 나타낸다.
상기 에너지 하베스트(EH) 모드에서 에너지 처리의 결과로 스프링에 저장된 변형 에너지는 에너지 복원 입력(ER in )(314) 으로서 에너지 복원(ER) 모드에서 에너지 과정의 입력에 해당된다.
또한, 차량 가속을 위해 에너지 복원(ER)이 요구될 때, 복원된 에너지는 에너지 복원(ER) 힘 경로(315)에 의해 타이어 2로 전달된다.
아이들러 로드(308), 결과적으로 아이들러 포크(307)를 밀면 아이들러 기어(305)가 기어_P(304)와 링 기어(306) 모두와 맞물린다.
또한. 허브 시프트(203)가 디스크 허브(202)에서 분리되는데, 이는 토크가 에너지 복원(ER) 힘 경로(315)를 통해 전달되고 링 기어(306)에 도달하도록 한다.
이 단계에서 토크는 기어비만큼 증가하고 기어_P(304)에 전달된다. 따라서, 기어_P(304)에 적용된 토크가 회전을 일으킬 때 이 에너지는 링 기어(306)로 전달되며, 결과적으로 출력 복원 에너지(ER out )(316)는 타이어 2로 전달된다.
또한, 복원된 에너지의 양을 제어하기 위해 폴 로드(301)는 폴(302)을 래칫(303)과 맞물리거나 풀기 위해 사용된다.
토크 부스팅 및 에너지 복원 동안 제한된 시간에 타이어로 에너지를 전달하는 것은, 차량을 가속하기 위해 차량 추진 시스템을 높게 지원할 수 있다.
차량이 제한된 시간 동안 정적 상태에서 높은 관성을 이동해야 할 때 특히 에너지 복원(ER)과 결합된 이 토크 부스팅이 매우 중요하게 작용한다.
또한, 본 발명에 따른 에너지 하베스트 복원 제동 시스템은 높은 가속 및 감속이 필요할 때 매우 유용하게 작용할 수 있다.
또한, 상기 에너지 하베스트 메커니즘 및 상기 에너지복원 메커니즘은 상호 호환이 가능하며, 제동 메커니즘과 병렬로 작동될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 에너지 하베스트 복원 제동(EHRB) 시스템은 상기 에너지 하베스트 메커니즘의 공정에서 변형 에너지의 흡수를 중단하거나 연속하여 에너지 흡수량을 제어하는 폴 래칫 메커니즘(Pawl Ratchet Mechanism)을 포함할 수 있다.
상기 폴 래칫 메커니즘(Pawl Ratchet Mechanism)은 상기 에너지복원 메커니즘의 공정에서 변형 에너지의 방출을 중단하거나 연속하여 에너지 복원량을 제어하도록 구성된다.
또한, 상기 폴 래칫 메커니즘은 상기 에너지 하베스트 메커니즘의 에너지 흡수량과 상기 에너지복원 메커니즘의 에너지 방출량을 각각 제어하기 위해 시계방향 및 반시계 방향으로 회전을 제어할 수 있다.
또한, 상기 폴 래칫 메커니즘은 상기 시계방향 및 반시계 방향의 양방향 회전을 제어하기 위해 적어도 2개의 래칫 및 폴 메커니즘 또는 양방향 래칫 및 폴 메커니즘이 적용될 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따른 에너지 하베스트 복원 제동 시스템에 의하면, 고효율, 고용량 및 안전성의 세 가지 중요한 이점을 포함하며, 일반적인 제동(U) 모드와 병행하여 작동가능하도록 설계 및 제작할 뿐 아니라 에너지 하베스팅(EH) 및 에너지 복원(ER) 모드의 짧은 힘 경로와 함께 에너지 복원(ER) 모드의 1보다 큰 기어비로 인해 출력과 효율성이 증가하여, 복원 에너지가 제한된 시간 동안 많은 중량을 포함하는 차량의 관성을 가속할 수 있는 상당한 토크의 형태로 에너지를 복원하여 추진 시스템을 지원하기에 충분하도록 구성되고, 부피가 크지 않아 가볍고 IC, 전기 및 하이브리드 차량과 시스템의 호환성으로 인해 더 안정적이고 내구성이 뛰어난 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 에너지를 수확하기 위해 짧은 힘 경로로 구성됨으로써, 마찰 작업과 열로 인한 에너지 손실을 최소화하여 효율적인 에너지 회수가 가능하고 필요한 공간의 최소화가 가능한 효과가 있다.
또한, 에너지복원부에서 에너지 복원을 위한 힘의 경로에서 1보다 큰 기어비가 발생할 가능성으로 인해 차량의 휠에 전달되는 토크가 증가하여 추진 시스템의 토크를 증가시켜 차량을 가속하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 에너지 하베스트 복원 제동 시스템은 에너지가 전기적 형태(발전기를 사용하여)로 변환하는 대신 기계적 형태인 변형 에너지(스프링에)로 저장되고 배터리에 저장(일부 화학 반응 사용)한 후 복원되기 때문에 에너지 하베스트 및 에너지 복원부 모드가 매우 빠르게 기능하는 효과가 있다.
또한, 에너지 하베스트(EH) 또는 에너지 복원(ER)모드가 작동할 때 기계적 에너지는 다른 형태, 즉 하이브리드 차량에서 구현되는 전기적 형태로 변환되지 않기 때문에 손실되는 에너지의 양이 적고 추진 시스템을 지원하기 위해 더 많은 에너지를 복원할 수 있으며, 에너지를 전달하는 힘 경로의 짧은 길이는 상술한 목표를 보다 원활하게 달성할 수 있도록 에너지 하베스트 복원 제동 시스템을 지원하는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스트 복원 제동 시스템(EHRB) 시스템은 에너지 하베스트(EH) 및 에너지 복원(ER) 모드 모두가 통상적인 제동(U) 모드와 병렬로 기능할 수 있도록 구성되어, 시스템의 안정성이 높아지고 제동력이 강해질 뿐 아니라 에너지 하베스트(EH) 및 에너지 복원(ER) 모드가 작동하는 동안 전달된 에너지를 추가로 제어할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스트 복원 제동 시스템(EHRB)은 시스템의 구성요소들이 용이하게 제조 및 조립될 수 있으며, 조립된 에너지 하베스트 복원 제동 시스템(EHRB)은 제한된 중량으로 구성되어 제한된 공간에 수용되어 차륜 내부에 배치가 가능한 효과가 있다.
아울러, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 에너지 하베스트 복원 제동(EHRB) 시스템은 신뢰성과 내구성이 향상되고 감속 및 가속 시 시스템의 효율성은 물론 전체 차량 효율성이 향상될 뿐 아니라 IC, 전기 자동차 및 다양한 크기의 하이브리드 자동차를 포함한 다양한 종류의 실제 세계에 적용하기에 적합한 효과가 있다.
이에 설명한 본 명세서 및 청구범위에 사용되는 용어 및 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 도면 및 실시 예에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
1 : 샤프트 2 : 타이어
3 : 좌측 프레임 4 : 우측 프레임
5 : 아이들러 지원 6 : 폴 지원
7 : 중간 프레임
100 : 주행(U)모드와 관련된 부품 카테고리
101 : 브레이크 디스크 102 : 캘리퍼스
103 : 갤리퍼 암
200 : EH 모드 및 ER 힘 경로와 관련된 부품 카테고리
201 : 림(Rim) 202 : 디스크 허브
203 : 허브 시프트 204 : 기어 허브
205 : 스프링 드럼 206 : 쉬프트 포크
207 : 시프트 로드 208 : 시프트 마운트
209 : 에너지 하베스트 입력(EH_in)
210 : EH 힘 경로 211 : 에너지 복원 출력(ER_out)
212 : 와이어 213 : 좌측 스프링 풀리
214 : 우측 스프링 풀리 215 : 스프링
216 : 스프링 마운트
300 : ER 모드 및 EH 힘 경로와 관련된 부품 카테고리
301 : 폴로드 302 : 폴
303 : 래칫 휠 장치 304 : 기어_P
305 : 아이들러 기어 306 : 링 기어
307 : 아이들러 포크 308 : 아이들러 로드
309 : 아이들러 스플라인 샤프트
310; 아이들러 마운트 311 : 아이들러 포크 마운트
312 : 좌측 폴 마운트 313 : 우측 폴 마운트
314 : 에너지 복원 입력(ER_in)
315 : ER 힘 경로 316 : 에너지 복원 출력(ER_out)

Claims (9)

  1. 휠 또는 차량의 운동 에너지를 흡수하여 변형에너지 또는 전기에너지로 저장하는 에너지 하베스트(Enery Harvest, EH) 메커니즘; 및
    상기 에너지 하베스트 메커니즘의 출력으로 차량에 흡수된 에너지를 운동 에너지 및 토크로 복원하는 에너지복원(Enery Restore, ER) 메커니즘;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스트 복원 제동 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 에너지 하베스트 메커니즘은,
    상기 변형 에너지 또는 전기에너지를 스프링 또는 스프링 시스템에 저장하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스트 복원 제동 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 에너지 하베스트 메커니즘은,
    에너지 하베스트 과정에서 평행 스프링, 직렬 스프링, 상기 평행 스프링과 직렬 스프링이 조합된 스프링 또는 스프링 시스템 중 선택된 하나에 에너지가 저장되는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스트 복원 제동 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 에너지 복원 메커니즘은,
    에너지 복원을 위한 힘의 경로 기어비(Gear ratio)가 에너지 복원 과정의 출력 토크를 증가시키는 결과를 갖는 1보다 큰 임의의 값이거나 바퀴의 출력 속도를 증가시킬 수 있는 1보다 작은 임의의 값을 갖는 어플리케이션을 기반으로 설정되는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스트 복원 제동 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 에너지 하베스트 메커니즘의 공정에서 변형 에너지의 흡수를 중단하거나 연속하여 에너지 흡수량을 제어하는 폴 래칫 메커니즘(Pawl Ratchet Mechanism);
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스트 복원 제동 시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 폴 래칫 메커니즘은,
    상기 에너지복원 메커니즘의 공정에서 변형 에너지의 방출을 중단하거나 연속하여 에너지 복원량을 제어하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스트 복원 제동 시스템.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 폴 래칫 메커니즘은,
    상기 에너지 하베스트 메커니즘의 에너지 흡수량과 상기 에너지복원 메커니즘의 에너지 방출량을 각각 제어하기 위해 시계방향 및 반시계 방향으로 회전이 제어되는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스트 복원 제동 시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 폴 래칫 메커니즘은,
    상기 시계방향 및 반시계 방향의 양방향 회전을 제어하기 위해 적어도 2개의 래칫 및 폴 메커니즘 또는 양방향 래칫 및 폴 메커니즘이 적용되는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스트 복원 제동 시스템.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 에너지 하베스트 메커니즘 및 상기 에너지복원 메커니즘은,
    상호 호환이 가능하며, 제동 메커니즘과 병렬로 작동되는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스트 복원 제동 시스템.
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