KR980010046A - 무단변속장치 및 이를 이용한 자동차 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 입력축과 출력축의 속도차 및 토오크차를 임의로 제어하고 항상 최적한 변속비로 운전하는 전기식 무단변속장치를 실현한다.
본 발명에서의 입력축과 출력축에 각각 접속된 두 개의 회전자를 가지는 주 모터(12)의 토오크를 제어하는 주 인버터(14)와, 출력축에 토오크를 부가하는 부 모터(13)의 토오크를 제어하는 부 인버터(15)와, 외부로부터 주어지는 운전지령에 대하여 최적인 변속비를 연산하는 변속비 연산부(22)를 구비하고, 변속비 연산부(22)에서 얻어진 신호를 기초로 주 인버터(14) 및 부 인버터(15)를 제어하여, 최적인 동작점에서 구동한다. 그때 주 모터(12)의 두 개의 회전자의 속도차에 의하여 발생하는 전력을 주 인버터(14)에 의하여 직류로 변환하고, 그 에너지는 부 인버터(15)로부터 부 모터(13)의 토오크로 변환시킨다. 이로써 전기적으로 임의의 변속비로 변속기능을 실현할 수 있다.

Description

무단변속장치 및 이를 이용한 자동차
도1은 엔진의 구동력을 무단변속장치로 변속하여 차체를 구동하는 본 발명의 일실시예를 나타낸 구성도.
도2는 도1에 있어서의 차량의 구동영역과 변속방법을 나타낸 속도 토오크특성도.
도3은 제어장치(4)의 변속비 연산부(22)에서 행하여지는 변속비의 연산을 나타낸 플로우챠트.
도4는 주 인버터 제어부(23)에 있어서의 속도제어 및 전류 제어 방법을 나타낸 블록도.
도5는 부 인버터 제어부(24)에 있어서의 전력 제어, 토오크 제어 및 전류 제어 방법을 나타낸 블록도.
도6은 엔진효율과 영역B의 관계와, 무단 변속장치(3)로 변속하였을 때의 에너지의 흐름을 나타낸 속도 토오크 특성도.
도7은 엔진 제어장치와 증속기어를 사용하였을 때의 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 구성도.
도8은 도7에 있어서의 차량의 구동영역과 변속방법을 나타낸 속도 토오크 특성도.
도9는 두 개의 모터를 일체로 한 무단 변속장치를 사용한 다른 실시예를 나타낸 구성도.
도10은 도9에 있어서의 차량의 구동영역을 나타낸 속도 토오크 특성도
도11은 콘덴서 대신 배터리를 사용하였을 때의 다른 실시예를 나타낸 구성도
도12는 도11에 있어서의 차량의 구동영역과 변속 방법을 나타낸 속도 토오크 특성도이다.
[발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술]
본 발명은 동력의 전달을 원활하게 행할 수 있는 변속장치로서 특히 엔진의 회전속도를 차량의 주행속도로 변속하는 데 적합한 무단 변속장치 및 이를 이용한 자동차에 관한 것이다.
무단 변속장치로서는 금속벨트 등을 이용하여 기어비를 기계적으로 무단계로 바꿀 수 있는 방법이 일반적으로 잘 알려져 있다. 또 2중 회전자를 가지는 모터를 이용하여 전자력에 의하여 입력축의 회전속도를 출력축의 회전속도로 무단 변속하는 방법도 예를 들어 일본국 특개소 50-54754호 공보 또는 미국 특허3,789,281호(일본국 특공소 53-168호 공보),일본국 특개소 53-13050호 공보등에서 제안되어 있다. 이와같은 전기식 무단 변속장치는 기계식에 비하여 기계적인 마찰개소가 적기 때문에 신뢰성이 높은 시스템을 구축할 수 있는 특징을 가지고 있다.
상기 제1인용문헌에는 출력축의 부하토오크가 증가함에 따라 출력축의 회전수가 고속에서 저속으로 감소하는 특성을 가지는 것이 기재되어 있다. 이 특성은 각 회전자의 코일 및 고정자의 코일의 조합구성에 의하여 얻어진다.
그러나 자동차에의 응용을 고려한 경우, 변속장치는 운전자의 의지대로 임의로 변속비가 제어되어야 하는 데, 이 변속장치는 운전자의 의지와 관계없이 부하의 크기에 따라 변속비가 결정된다는 문제가 있다.
또 제2의 인용문헌에 의하면, 전자이음매 및 회전기에 흘리는 전류는 전력전환장치를 이용하면 어느정도 제어할 수는 있다. 그러나 이 경우에도 엔진이나 부하상태에 따라 변속비가 제멋대로 결정된다는 문제가 있었다.
또한 제3의 인용문헌의, 특히 도6에서는, 두 개의 주파수전환장치를 이용하여 모터에 흘리는 전류를 각각 독립하여 제어하는 것은 가능하나, 회전자(1)와 회전자(2)간의 토오크만을 제어할 수 있음에 불과하다. 그 때문에 이 공지예는 변속비를 제어할 수 있으나, 입력측의 토오크와 출력측의 토오크를 임의로 제어할 수 없고, 자동차와 같은 변속기대신으로서는 이용하기 어렵다.
또 이들 공지예에서는 전류를 제어하는 경우에도 일방향의 전류밖에 고려되어 있지 않아, 최적인 엔진 동작영역에서 엔진을 구동할 수 없는 경우가 있다.
[발명이 이루고자 하는 기술적 과제]
본 발명 목적의 하나는 입출력축의 속도차 및 토오크차를 임의로 제어하고, 고효율이고 또한 변속시의 쇼크가 적은 무단 변속장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명 목적의 또 하나는 여하한 토오크, 감속영역에서도 무단 변속기의 변속비를 제어함으로써 엔진 및 시스템의 고효율구동을 항상 가능하게 하는 전기차량을 제공하는 데에 있다.
본 발명 목적의 또 하나는 연비를 향상시키며, 적은 연료로 주행거리를 연장할 수 있는 하이브리드 전기차량을 제공하는 데에 있다.
[발명의 구성 및 작용]
상기한 바와 같은 본 발명의 목적은 입력측의 제1회전자와, 출력측의 제2회전자와, 상기한 두 개의 회전자간의 회전토오크를 전달하는 토오크전달수단과, 상기한 두 개의 회전자의 회전속도차를 제어하는 제어장치와, 상기 회전속도차에 의하여 얻어지는 출력을 상기 제1회전자 또는 제2회전자에 따라 회전하는 모터에 부여하고, 상기 회전자의 회전축을 제어하는 것을 특징으로 하는 무단 변속장치에 의하여 달성된다.
또한 본 발명은, 제1회전자와, 제2회전자와, 상기 제1 및 제2회전자의 상호간에 토오크를 발생시키는 제 1코일과, 상기 제1 또는 제2회전자와 고정자상호간에 토오크를 발생시키는 제2코일과, 외부로부터 부여되는 운전지령치에 따라 변속비를 결정하는 제어장치와, 상기 변속비로 이루어지도록 상기 제1 및 제2코일로 각각에 독립적으로 전류를 흘려 각 토오크를 제어하는 전력변환기를 구비한 것을 특징으로 하는 무단 변속장치를 제공한다.
또한 본 발명은, 입력축을 구동원에 접속한 회전자와, 출력축을 구동부하에 접속한 회전자와, 상기 회전자의 상호 결합력을 제어하는 복수의 여자코일과, 차량의 운전상태를 파악하여 변속장치의 변속비를 결정하는 제어장치를 구비하고, 상기 여자코일을 제어하여 변속비를 상기 결정된 값으로 제어하는 것을 특징으로 하는 무단 변속장치도 제공한다.
또한 본 발명은, 엔진과 상기 엔진의 회전속도를 차체를 구동하는 구동축의 회전속도로 변속하는 변속장치를 구비한 자동차에 있어서,
상기 자동차는 상기 엔진에 의하여 회전하는 제1회전자와, 상기 구동축을 회전하는 제2회전자와, 상기 제1 및 제2회전자 상호간에 토오크를 발생시키는 제1코일과, 상기 제1 또는 제2회전자와 고정자와 상호간에 토오크를 발생시키는 제2코일로 이루어지는 모터와, 운전자의 운전지령에 대하여 변속비를 결정하는 제어장치와, 상기 변속비가 되도록 상기 제1 및 제2코일에 각각 독립적으로 전류를 흘려 각 토오크를 제어하는 제1 및 제2의 전력변환기를 구비한 것을 특징으로 하는 자동차도 제공한다.
또한, 본 발명은, 엔진과 축전장치와, 상기 엔진의 회전에너지를 상기 축전장치에 축적하고, 그 축전한 에너지를 차체를 구동하는 구동축의 토오크로 변환하는 에너지변환장치를 구비한 하이브리드자동차에 있어서,
상기 에너지변환장치는 상기 엔진에 의하여 회전되는 제1회전자와, 상기 구동축을 회전하는 제2회전자와, 상기 제1 및 제2회전자 상호에 토오크를 발생하는 제1코일과, 상기 제1 또는 제2회전자와 고정자와 상호에 토오크를 발생하는 제2코일과, 운전자의 운전지령에 대하여 변속비를 결정하는 제어장치와, 상기 변속비가 되도록 상기 제1, 제2코일로 흘리는 전류를 독립적으로 제어하는 전력변환기를 구비한 것을 특징으로 하는 하이블리드자동차도 제공한다.
[실시예]
이하 본 발명의 일실시예를 도1에 의하여 설명한다. 도1은 무단 변속장치를 구비한 전기자동차의 개념도로서, 엔진(1)은 그의 회전구동력에 의하여 차체(2)를 추진 구동시킨다. 상기 자동차는 액셀(7)의 밟는 양(xa)에 의하여 결정되는 엔진의 회전속도를 무단 변속장치(3)에 의하여 변속하여 구동토오크(τe)를 얻는다.
이 구동토오크(τe)는 차축(5)을 개재하여 타이어(6a, 6b)에 차량토오크(τv)[무단 변속장치(3)의 출력축에서의 환산치]로서 전달되어, 차체(2)를 주행시킨다. 상기 차체(2)에는 다음과 같이 무단 변속장치(3)를 제어하는 제어장치(4)가 탑재되어 있다.
운전자가 액셀(7), 브레이크(8), 전진, 후진, 정지를 지시하는 전환스위치(9)를 조작하면, 액셀(7)의 밟는 양(xa), 브레이크(8)의 밟는 양(xb), 전환스위치(9)의 전환신호(xc)가 제어장치(4)의 차량토오크 지령연산부(11)에 입력된다. 차량토오크 지령연산부(11)에는 다시 속도센서(10)에 의하여 얻어진 차량속도(ωv)[무단 변속장치(3)의 출력축에서의 환산치]가 입력된다. 이 차량속도(ωv)를 파라미터로 하여 액셀밟는 양(xa), 브레이크밟는 양(xb), 전환신호(xc)에 따라 차량이 출력하여야 할 목표차량 토오크지령치(τv*)를 차량토오크 지령연산부(11)에서 연산한다.
여기서 운전지령에 적합한 특성이 되도록 xa, xb와 차량토오크지령치(τv*)의 관계가 설정되고, 운전자가 가속감을 느끼는 주행조건으로 하는 것도 용이하다.
다음에 무단 변속장치(3)의 일실시예의 구성에 관하여 설명한다. 이 무단 변속장치(3)의 주된 구성요소는 2중 회전자 구조를 가지는 주 모터 (12)와, 출력축의 토오크를 가감하는 부 모터 (13)와, 주 모터 (12)의 3상 코일18)에 슬립링(도시생략)을 개재하여 전류를 공급하는 주 인버터(14)와, 부 모터(13)의 3상 코일(20)에 전류를 공급하는 부 인버터(15) 및 인버터(14, 15)의 직류측 단자에 접속된 콘덴서(16)로 이루어진다.
이 실시예에서는 주 모터 (12), 부 모터 (13)는 모두 운전효율이 좋은 영구자석식 동기모터를 이용하고 있다. 주 모터 (12)는 엔진(1)의 회전축에 직결하여 회전하는 제1회전자(17)와, 회전축(19a)과, 차축(5)을 개재하여 타이어(6a, 6b)에 회전구동력을 공급하는 제2회전자(19)로 구성되어 있고, 제1회전자(17)에 배치한 3상코일(18)에 흐르는 전류와 제2회전자(19)에 배치한 자석(도시생략)의 관계에 의하여 제1 및 제2회전자(17, 19)에 회전토오크(τ)를 발생시킨다. 이 토오크(τ)는 후기하는 제어방법에 의하여 엔진토오크(τe)와 평형되도록 제어된다. 즉 제1 및 제2회전자(17, 19)에 엔진토오크(τe)를 발생시킨다.
이때, 엔진의 회전속도(ωe)와, 차량주행속도(ωv)의 관계가 ωe＞ωv로 되면, 주 인버터(14)의 에너지가 3상교류에서 직류로 변환되어 흐르게 된다. 이 에너지를 이용하여 부 인버터(15)에서 다시 직류에서 3상교류로 변환하고, 부 모터 (13)의 고정자(13a)에 배치한 3상코일(20)에 전류를 흘릴 수 있다. 이 전류에 의하여 부 모터 의 회전자(21)에 토오크(τm2)가 발생하기 때문에 이 토오크를 후기하는 제어연산에 의하여
(1)
이 되도록 부 모터 (13)를 제어하여 토오크(τm2)를 제어한다. 이와같은 제어에 의하여 무단 변속장치(3)의 입력축(즉 엔진의 회전축)에 있어서의 엔진회전속도(ωe), 엔진토오크(τv)출력축에서의 차량 주행속도(ωe), 차량 구동토오크(τv)로 변환할 수 있다. 또한 모터, 인버터의 손실을 무시할 수 있다고 하면, 엔진출력(P)은
(2)
가 되어 기계적인 무단 변속기와 동일한 기능을 도1의 실시예에서 달성할 수 있게 된다.
그래서 이것을 실현하기 위한 제어장치(4)에 관하여 설명한다. 제어장치(4)는 상기한 차량토오크지령 연산부(11)외에 변속비 연산부(22), 주 인버터제어부(23) 및 부 인버터제어부(24)로 구성된다.
변속비 연산부(22)에서 행하여지는 변속비의 연산에 의거한 변속방법을 도2에 나타낸다. 또 구체적인 연산방법을 도 3의 플로우챠트에 나타낸다. 도2의 차량의 주행속도-차량토오크특성은 일반적으로 요구되는 개개의 차량성능이고, 주 모터 와 부 모터 가 발생할 수 있는 토오크를 일치하도록 설계하였을 때의 차량의 구동영역을 나타내고 있다.
변속방법은 이 구동영역을 도2(a)에 나타낸 바와같이 영역(A, B, C)으로 나누어 연산이 행하여지고, 항상 엔진의 출력토오크가 차량의 운전상태에 관계없이 영역B가 되도록 변속제어된다. 이것은 영역B가 엔진효율이 가장 좋은 영역이기 때문이다. 이를 위하여 제2회전자(19)의 최고속도가 제1회전자(17)의 최고속도보다도 커지는 경우가 있기 때문에, 도1에 나타낸 바와같이 제2회전자(19)를 제1회전자(17)의 내부에 배치하고 있다.
변속제어는 예를 들어 도2(b)에 나타낸 바와같이 차량의 운전영역이 A영역이며 차량의 동작점이 ○점일 때, 엔진의 동작점을 영역A와 영역B의 경계선상의 점×로 하고, 또한 τel·ωe1=τv1·ωv1이 되도록 한다. 도2(c)와 같이 차량의 운전영역이 B일 경우에는 ωe2=ωv2, τe2=τv2로 등속, 등토오크제어를 행한다. 이때에는 인버터(14, 15)간에서 흐르는 전력이 거의 0이 되고, 엔진의 출력은 주 모터 (12)의 제 1회전자(17)로부터 제2회전자(19)로 직접 전송되기 때문에 전달효율은 가장 좋아진다. 또한 도2(d)에 나타낸 영역C에서 차량을 구동하는 경우에는 엔진의 동작점은 영역B와 영역C의 경계선상에서 또한 τe3·ωe3=τv3·ωv3 이 성립하도록 제어된다.
이와같은 제어의 지령치는 도3에 나타낸 처리방법을 변속비 연산부(22)에서 행함으로써 달성된다.
도3에 있어서, 단계 101에서 차량토오크지령치(τv*)와 차량속도(ωv)를 입력하고, 단계 102에서 이들 값으로부터 차량 영역이 A, B, C중 어느것인지를 판단한다. 그 결과가 영역A이면, 단계 103에서 차량 출력 지령치(Pv*)를 구한 후, 단계 104에 있어서 영역A, B의 경계선상에서 또한 Pv*=τe*ωe* 가 되는 엔진 토오크 지령치(τe*), 엔진 회전속도 지령치(ωe*)를 연산한다. 이들은 똑같이 결정된다. 이 연산을 변속비 연산이라 부른다. 또 단계 102에서의 판단이 영역B이면, 단계 105에 있어서, τe*=τv*, ωe*=ωv 로 설정한다. 즉 변속비가 1로 설정되게 된다. 또한 단계 102에서의 판단이 영역C 이면, 단계 106에서 차량 출력 지령치(Pv*)를 연산하고, 단계 107에서 영역B, C의 경계선상에서 또한 Pv*=τe*·ωe*가 되는 엔진 토오크 지령치(τe*), 엔진 회전속도 지령치(ωe*)를 구한다. 다음에 단계 108에 있어서 부 모터 (13)의 부 모터 토오크지령치(τm2*)를 차량 토오크 지령치(τv*)와 엔진 토오크 지령치(τe*)와의 차이로부터 연산하고, 단계 109에서 부 모터 토오크 지령치(τm2*)와 엔진 회전 속도 지령치(ωe*)를 출력한다. 이로써 무단 변속장치(3)의 차량이 요구하는 변속비를 적절하게 설정하는 것이다.
다음에 엔진회전속도 지령치(ωe*)를 이용하여 주 모터 (12)의 토오크를 제어하는 주 인버터 제어부(23)의 연산내용을 블록도(도4)에 나타낸다. 도1에서 속도 센서(26)와 각도 센서(27)에 의하여 각각 검출되는 엔진 회전속도(ωe)와, 제1회전자(17)와 제 2회전자(19)의 상대 각도(θm1)를 주 인버터 제어부(23)에 입력하여 연산이 행하여진다. 먼저 엔진 토오크 지령부(29)에서는 엔진 회전속도 지령치(ωe*)와, 엔진 회전속도(ωe)의 편차에 의하여 피드백 연산을 행하여 엔진 토오크 지령치(τe*)를 얻는다. 이 토오크 지령치(τe*)와, 엔진 회전속도(ωe)에 의하여 그 동작점에서 주 모터(12)의 손실이 최소가 되도록 동기 모터의 자극과 일치한 d축 전류 지령치(id1*)와 그것에 직교한 q축 전류 지령치(iq1*)를 전류 지령부(30)에서 연산한다.
이것은 벡터 제어방법이라는 일반적인 방법으로 전류 지령치대로 전류 제어할 수 있으면, 토오크 지령치(τe*)를 주 모터(12)로부터 발생할 수 있는 것이다. 전류 제어부(31)는 회전 좌표계의 d-q좌표계에서의 전류 제어연산을 행하기 위한 것으로 d축 전류 지령치(id1*), q축 전류 지령치(iq1*)에 대하여 좌표 변환부(34)에서 얻어진 d축 전류(id1), q축 전류(iq1)를 피드백 제어하여 d축 전압 지령치(vd1*), q축 전압 지령치(vqi*)를 구하고 있다. 또한 좌표 변환부(34)는 주 인버터(14)의 각상의 전류(iu, iv, iw)를 상대 각도(θm1)에 의하여 d-q좌표계의 d축 전류(id1), q축 전류(iq1)로 변환하고 있다.
좌표 변환부(32)에서는 d축 전압 지령치(vd1*), q축 전압 지령치(vq1*)를 상대 각도(θm1)에 의하여 3상의 전압 지령치(vu1*, vv1*, vw1*)로 변환하고 있다. 또한 PWM 발생부(33)에서 그것들의 전압 지령치를 PWM 신호(Pu1, Pv1, Pw1)로 변환하여 주 인버터(14)에 출력하고 있다. 이로써 인버터의 출력전류를 지령치대로 제어할 수 있기 때문에 주 모터(12)의 제1회전자(17), 제2회전자(19)에는 주 인버터 제어부(23)에서 연산한 토오크 지령치(τe*)가 발생한다. 또 속도 피드백제어에 의하여 주 모터(12)의 제1회전자(17)의 속도, 즉 엔진 회전속도(ωe)는 엔진 회전속도 지령치(ωe*)와 일치한다.
다음에 도5의 부 인버터 제어부(24)에 관하여 설명한다. 전류 지령부(36), 전류 제어부(37), 좌표 변환부(38, 39), PWM발생부(40)의 동작은 차량속도(ωv)와, 각도 센서(28)에 의하여 검출되는 부 모터 각도(θm2)를 이용하는 점이 다를 뿐 주 인버터 제어부(23)에서 설명한 전류 지령부(30), 전류 제어부(31), 좌표 변환부(34, 32), PWM 발생부(33)의 동작과 동일하다.
부 인버터 제어부(24)가 주 인버터 제어부(23)와 다른 점은 전류 지령부(36)에 입력하는 토오크 지령의 연산방법이다. 원래는 부 모터 토오크 지령치(τm2*)를 전류 지령부(36)에 입력하는 것 만으로 부 모터(13)로부터 대략 토오크 지령치(τm2*)가 되는 토오크가 발생하기 때문에 다른 연산은 필요없다. 그러나 이 실시예에서는 콘덴서상태 검출기(25)에 의하여 콘덴서(16)의 전압(VB)과 그것에 흐르는 전류(iB)를 검출하여 부 인버터 제어부(24)에 입력하고 있다. 이들의 곱, 즉 VBiB가 콘덴서를 입출력하는 전력(PB)이 된다. 전력 제어부(35)에서는 이 전력(PB)이 0으로 되도록 전력(PB)을 피드백 제어하는 연산을 행한다. 이 연산결과와 부 모터 토오크 지령치(τm2*)의 합을 전류 지령부(36)의 입력으로 함으로써 콘덴서(16)에 입출력하는 전력을 항상 0으로 하면서 부 모터(13)에서 발생하는 토오크를 대략 토오크 지령치(τm2*)로 할 수 있다. 이 때문에 콘덴서의 용량이 작아도 무단 변속기의 기능을 얻을 수 있는 특징을 가지고 있다.
이때의 엔진 파워의 흐름과 효율에 관하여 도6을 이용하여 설명한다. 도6(a)가 엔진 구동효율과 제어에 이용한 영역B의 관계이다. 엔진의 구동효율은 중속 회전에서 중토오크일 때가 가장 양호하고, 되도록 그 영역에서 엔진을 구동하는 것이 자동차의 연비를 향상하게 된다. 영역B는 엔진효율이 최적인 영역이고, 전기식 무단 변속기를 이용하여 항상 엔진이 영역B에서 구동하도록 제어하는 것이 본 실시예에 의하여 가능하게 된다.
또 차량의 운전영역이 A, B, C인 경우, 각각 에너지가 어떻게 흐를지에 관하여 설명한다. 엔진의 파워는 P1, P2, P3 셋으로 나누어 생각할 수 있다. 파워P1은 주 모터(12)의 제1회전자로부터 제2회전자로 직접 전송되는 것으로, 도6(b)의 토오크0-τe1, 속도 0-ωv1로 둘러싸인 범위(실선으로 둘러싼 범위)가 되며 다음식으로 나타낸다.
(3)
파워 P2는 주 모터(12)의 코일(18)로부터 주 인버터(14)로 흐르는 에너지이고, 도6(b)의 토오크 0-τe1, 속도 ωv1-ωe1로 둘러싸인 범위(제 2영역)가 되어
(4)
로 주어진다. 파워 P3는 부 인버터(15)로부터 부 모터(13)의 3상코일(20)에 흐르는 에너지이고, 도6(b)의 토오크τe1-τv1, 속도 0-ωv1로 둘러싸인 범위(제 3영역)가 되며 다음식이 된다.
(5)
도6(b), 즉 영역A의 경우, 파워P1은 엔진(1)으로부터 주 모터 (12)를 개재하여 직접 차축(5)을 구동하는 에너지이고, 인버터 등의 전기적인 변환을 필요로 하지 않기 때문에 손실이 매우 적은 파워이다. 파워P2가 주 인버터(14)를 흘러 파워P3가 되어 부 모터(13)로부터 토오크를 발생하고, 주 모터(12)의 토오크를 보조하게 된다. 차량에는 파워P1+P3가 구동력으로서 출력된다. 이와같이 인버터를 지나는 에너지가 반감하기 때문에 손실은 저감하고, 무단 변속장치(3) 자체의 효율도 향상한다.
차량의 운전영역이 B일 때에는 P2=P3=0이 되기 때문에 인버터의 손실은 매우 작아지고, 자동차로서의 종합효율은 매우 높아진다.
또한 차량의 운전영역 C의 경우에는 파워(P1)는 도6(d)의 토오크0-τe3, 속도 0-ωv3로 둘러싸인 범위(실선으로 둘러싼 범위)로 크다. 그 중, 파워P3가 부 모터(13)로부터 부 인버터(15)로 역으로 흘러가게 된다. 즉 P3＜0 이다. 그 파워P3가 파워P2가 되고, 주 모터(12)로 차축(5)을 가속하는 작용을 하게 된다. 즉 필요이상의 파워P1를 발생하여 P3, P2 로 순환시키고 있는 구조가 되기 때문에 영역C에서의 변속 제어에 의한 효율은 다른 영역보다는 약간 저하한다. 그러나 엔진의 효율향상이 도모되기 때문에 시스템의 효율은 향상하고, 전영역에 걸쳐 저 손실화를 달성할 수 있다.
그런데 도1의 구성에서 주 인버터(14), 부 인버터(15)로 각각 주 모터 (12), 부 모터(13)를 구동하는 구성으로 하고, 주 인버터(14)와 부 인버터(15)의 직류측 정(+)단자, 부(-)단자를 각각 상호 접속하고 있는 것은 전력의 융통을 행하기 쉬운 구성이며, 본 실시예가 변속비의 제어범위를 확대하는 이유의 하나로 되어 있다. 이 점도 본 실시예의 장점이다.
본 실시예에서는 엔진제어를 위한 특별한 장치를 필요로 하지 않고, 비교적 간단한 시스템 구성으로, 자동차의 연비를 향상할 수 있는 특징과 장점이 있다.
도7은 엔진제어를 행하면서 자동차를 더욱 고효율로 구동하는 실시예이다. 도1과 다른 주된 점은 엔진(1)과 무단 변속장치(3)사이에 증속기어(41)를 설치한 점, 엔진(1)을 액셀(7)의 밟는 양(xa)으로 구동하지 않고, 엔진 제어장치(42)에 의하여 제어하는 두가지 점이다.
엔진 제어장치(42)를 추가함으로써 엔진(1)의 엔진 회전속도(ωe)를 주 인버터 제어부(23)가 아니라 엔진 제어장치(42)에 의해 행하도록 하였다. 따라서 변속비 연산부(22)에서 얻어지는 엔진 회전속도 지령치(ωe*)와 엔진 회전속도(ωe)를 엔진제어장치(42)에 입력하고 있다. 여기서 그것들의 편차를 기초로 속도 피드백 제어를 행하고, 엔진 제어신호(Ps)에 의하여 엔진을 제어하고 있다. 이로써 엔진(1)의 엔진 회전속도(ωe)는 부하 상태로 되지 않고 항상 엔진 회전속도 지령치(ωe*)로 되도록 제어된다.
또 주 인버터 제어부(23)에서는 도3에서 얻어진 엔진 토오크 지령(τe*)을 입력하고, 도4의 엔진 토오크 지령부(29)의 출력대신 전류 지령부(30)의 연산 결과를 이용하고 있다. 이와같이 제어함으로써 엔진의 경년(經年) 변화나 파라미터의 변화가 있었던 경우에도 엔진(1)은 대략 엔진 회전속도 지령치(ωe*)로 또한 엔진 토오크 지령(τe*)의 동작점에서 구동할 수 있기 때문에 항상 설계치대로 최적인 운전이 가능하게 된다.
다음에 증속기어(41)의 효과에 관하여 설명한다. 앞의 실시예에서 설명한 운전영역C의 경우, 시스템의 효율향상의 효과가 적어지는 것을 설명하였다. 그래서 증속기어(41)를 엔진(1)의 출력축에 삽입한다. 그때, 증속기어(41)의 기어비를 2:1로 하도록 한다. 증속기어(41)의 출력축에서의 토오크는 엔진(1)의 출력축의 토오크보다도 반감하고, 속도는 2배가 된다. 이로써 엔진(1)의 효율이 가장 양호한 영역, 즉 영역B도 저 토오크, 고속의 영역으로 이동하게 된다.
도8(a)가 도7실시예의 구동영역을 나타낸 일예이다. 영역B는 영역C의 방향으로 이동하기 때문에 영역C의 면적이 적어지고, 영역A의 면적이 증가하기 때문에 인버터(14, 15)를 지나는 에너지를 전체로 하여 감소시킬 수 있다. 따라서 자동차의 연비를 더욱 향상할 수 있다.
또 도8(b)와 같이 차량의 운전영역이 C일 때의 변속방법을 도2(d)와는 다른 방법으로 한다. 즉 이것은 영역B와 동일하게 에너지가 인버터를 지나지 않고 전송되게 한 것이다. 이 경우, 무단 변속장치(3)의 손실은 매우 적어진다. 엔진의 효율은 저하하나, 증속기어(41)를 삽입함으로써 구동하는 엔진효율의 저하는 적다. 특히 자동차의 주행저항을 고려하면, 그 영역에서의 효율저하는 더욱 적어진다. 따라서 전체로서의 시스템효율은 향상한다.
또 엔진 회전속도(ωe)[증속 기어(41)의 출력측 값]의 동작점은 비교적 높아지기 때문에 주 모터(12)의 제 1회전자(17)를 제 2회전자(19)보다도 내측으로 배치하고 있다. 이로써 회전자의 평균 둘레 속도를 낮게 할 수 있기 때문에 신뢰성을 향상하는 것도 가능하다.
이상과 같이 본 실시예를 이용하면, 최적한 동작점에서 확실하게 동작하고 구동시의 손실을 더욱 저감할 수 있기 때문에 자동차의 연비를 더욱 향상할 수 있는 특징과 장점이 있다.
도9는 주 모터와 부 모터를 일체로 한 무단 변속장치를 이용한 실시예로 엔진(1)에서 복수 코일모터(43)까지의 구성을 나타낸 것이다. 엔진(1)의 출력축에 의하여 접속된 제1회전자(44)에 제1의 3상코일(47)이 차축(5)에 접속된 제2회전자(45)에 영구자석(45a)이 배치되어 있다. 이로써 주 모터부를 구성하고 있다.
또 고정자(46)에 제2의 3상코일(48)이 배치되고, 제2회전자(45)의 영구자석(45a)과 함께 부 모터부를 구성하고 있다. 이와같은 구성을 채용함으로써 무단 변속장치를 콤팩트하게 할 수 있기 때문에 자동차에의 탑재성, 조립성을 향상할 수 있다.
또 부 모터부가 발생할 수 있는 최대 토오크를 주 모터부의 최대 토오크보다 크게 하였을 때의 속도 토오크 특성을 도10에 나타낸다. 저속도 영역에서 발생할 수 있는 토오크를 매우 크게 할 수 있기 때문에 발진 가속특성이 우수한 자동차 시스템을 제공할 수 있는 특징과 장점이 있다.
본 실시예에 의하면, 자동차의 연비를 향상하면서 가속성, 조립성 등을 더욱 개선할 수 있는 이점을 가지게 된다.
도11은 도7의 콘덴서(16)를 배터리(49)로 치환한 다른 실시에로 하이브리드 자동차로서도 우수한 성능을 가지는 시스템이다. 소용량의 전력밖에 축적되지 않는 콘덴서(16)에 대하여 대용량의 전력을 축적할 수 있는 배터리(49)를 적용함으로써 다음과 같은 구동방법이 가능하게 된다.
배터리의 에너지가 충분한 때는 엔진(1)을 정지하고 배터리를 이용하여 무단 변속장치(3)만으로 부하를 구동한다. 일정 속도에서 주행시에는 부 모터(13)를 부 인버터(15)에 의하여 구동하고, 가속시, 등판시와 같이 대 토오크가 필요한 때에는 다시 주 모터(12)를 주 인버터(14)에 의하여 구동한다. 그때 엔진(1)의 출력축은 고정한다. 이로써 경 부하시에는 인버터, 모터의 손실을 최소한으로 억제하고, 최대 토오크가 필요한 때에는 두 개의 모터를 배터리에 의하여 구동함으로써 소형이고, 고효율의 자동차의 구동시스템을 실현할 수 있다.
또한 고토오크가 필요한 때에는 엔진(1)을 구동하면서 배터리(49)의 에너지로 두 개의 모터를 구동할 수도 있기 때문에 콤팩트하고 가속성이 좋은 자동차를 구성할 수 있다. 또 엔진(1)으로 구동하는 경우에는 무단 변속장치(3)의 변속기능을 이용하여 최적으로 구동하면서 배터리(49)에 충전하는 것도 가능하다.
본 실시예를 이용하면, 무단 변속시스템에 의한 이점뿐만 아니라, 하이브리드 자동차로서도 소형이고 고효율의 특성이 얻어지는 특징과 장점이 있다. 또한 배터리(49)는 대용량의 전력을 축전할 수 있는 대용량 콘덴서이더라도 좋은 것은 물론이다.
또 도11에서 배터리(49)를 소용량으로 하고, 일시적인 전력의 부족을 배터리(49)로 보상하면, 그 속도 토오크특성은 도 12(a)와 같이 된다. 도8(a)가 전력의 융통을 행하지 않을 때의 구동영역인 것에 대하여 도12(a)는 저속도, 또한 고 토오크의 영역에서 구동할 수 있는 영역이 확대되어 있는 것을 알 수 있다. 이것은 엔진에서 커다란 토오크를 발생하는 경우에는 어느 정도 커다란 전력을 주 인버터로부터 배터리(49)로 충전하지 않으면 안되기 때문이다. 즉 일시적으로 배터리(49)로 에너지를 축적함으로써 차량을 저속도, 고 토오크에서도 구동할 수 있게 한 것이다. 이때의 무단 변속장치(3)의 동작점은 도 12(b)에 나타낸다. P2＞P3로 되어 있고, 에너지가 배터리(49)로 축적되는 것을 나타내고 있다.
차량이 영역C에서 구동할 때에는 도12(c), 또는 (d)중 어느 하나의 방법을 채용함으로써 항상 엔진(1)을 영역B에서 운전할 수 있다. 도12(c), (d)는 각각 배터리로의 충전상태, 배터리로부터의 방전상태[부 모터(13)에 의한 구동 보조]를 나타내고 있기 때문에 배터리상태에 따라 효율이 좋은 운전방법을 선택할 수 있다. 이 경우, 약간의 배터리용량으로도 전력의 융통을 적절히 행할 수 있기 때문에 경량의 시스템으로 구동범위의 확대와 효율의 향상이 달성된다.
이상이 본 발명의 일실시예로서, 모터로서 영구자석 동기모터를 이용한 경우에 관하여 설명하고 있으나, 유도모터, 직류모터 등을 이용할 수도 있다. 또 기계식 자동 변칙장치와 조합하여 상호 최적의 운전상태에서 구동하는 시스템에도 본 발명은 적용할 수 있다.
또 상기 실시예에서 복수의 다른 방법을 설명하였으나, 이들을 조합시켜 실시하는 것도 가능하다.
[발명의 효과]
본 발명에 의하면, 입출력축의 속도차 및 토오크차를 임의로 제어할 수 있기 때문에 고효율이고 변속쇼크가 적은 무단 변속장치를 용이하게 제공할 수 있다.
본 발명에 의하면, 항상 최적의 변속비로 변속장치를 구동할 수 있기 때문에 자동차의 손실이 적고 연비를 향상시키면서 또한 승차감이 우수한 자동차를 제공할 수 있다.
본 발명에 의하면, 항상 손실이 적은 주행성능을 가지는 하이브리드 자동차를 제공할 수 있다.

Claims (19)

  1. 입력측의 제1회전자와, 출력측의 제2회전자와, 상기한 두 개의 회전자간의 회전토오크를 전달하는 토오크 전달수단과, 상기한 두 개의 회전자의 회전속도 차를 제어하는 제어장치와, 상기 회전속도 차에 의하여 얻어지는 출력을 상기 제1회전자 또는 제2회전자에 따라 회전하는 모터에 부여하고, 상기 회전자의 회전축을 제어하는 것을 특징으로 하는 무단 변속장치.
  2. 제1회전자와, 제2회전자와, 상기 제1 및 제2회전자의 상호간에 토오크를 발생시키는 제1코일과, 상기 제1 또는 제2회전자와 고정자 상호간에 토오크를 발생시키는 제2코일과, 외부로부터 부여되는 운전 지령치에 따라 변속비를 결정하는 제어장치와, 상기 변속비가 되도록 상기 제1 및 제2코일로 각각 독립적으로 전류를 흘려 각 토오크를 제어하는 전력 변환기를 구비한 것을 특징으로 하는 무단 변속장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2회전자중, 최고 회전속도가 높은 회전자를 내측으로 하는 것을 특징으로 하는 무단 변속장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 제2코일이 발생하는 최대 토오크가 상기 제1코일이 발생하는 최대 토오크 이상인 것을 특징으로 하는 무단 변속장치.
  5. 제1회전자와, 제2회전자와, 상기 제1 및 제2회전자의 상호간에 토오크를 발생시키는 제1코일과, 상기 제1 또는 제2회전자와 고정자 상호간에 토오크를 발생시키는 제2코일과, 상기 제1 및 제2코일로 각각 독립적으로 전류를 흘리는 제1 및 제2전력 변환기를 구비하고, 상기 제1 및 제2전력 변환기의 직류단자를 각각 접속한 것을 특징으로 하는 무단 변속장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 및 제2전력 변환기는 직류를 교류로, 교류를 직류로 변환할 수 있는 것임을 특징으로 하는 무단 변속장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 제1 및 제2코일은 3상 코일인 것을 특징으로 하는 무단 변속장치.
  8. 제5항에 있어서, 상기 제2코일이 발생하는 최대 토오크가 상기 제1코일이 발생하는 최대 토오크 이상인 것을 특징으로 하는 무단 변속장치.
  9. 입력축을 구동원에 접속한 회전자와, 출력축을 구동부하에 접속한 회전자와, 상기 회전자 상호의 결합력을 제어하는 복수의 여자코일과, 차량의 운전상태를 파악하여 변속장치의 변속비를 결정하는 제어장치를 구비하고, 상기 여자코일을 제어하여 변속비를 상기 결정된 값으로 제어하는 것을 특징으로 하는 무단 변속장치.
  10. 엔진과 상기 엔진의 회전속도를 차체를 구동하는 구동축의 회전속도로 변속하는 변속장치를 구비한 자동차에 있어서, 상기 자동차는 상기 엔진에 의하여 회전하는 제1회전자와, 상기 구동축을 회전하는 제 2회전자와, 상기 제1 및 제2회전자 상호간에 토오크를 발생시키는 제1코일과, 상기 제1 및 제2회전자와 고정자 상호간에 토오크를 발생시키는 제2코일로 이루어지는 모터와, 운전자의 운전지령에 대하여 변속비를 결정하는 제어장치와, 상기 변속비가 되도록 상기 제1 및 제2코일로 각각 독립적으로 전류를 흘려 각 토오크를 제어하는 제1 및 제2전력 변환기를 구비한 것을 특징으로 하는 자동차.
  11. 제10항에 있어서, 상기 엔진 회전속도는 엔진 제어장치에 의하여 제어되는 것을 특징으로 하는 자동차.
  12. 제10항에 있어서, 상기 전력 변환기는 운전자의 운전 조작량에 따라 설정되는 엔진 회전속도 지령치가 되도록 제1코일에 의하여 발생하는 토오크를 제어함과 동시에 변속장치내로 축적 또는 방출되는 에너지가 0이 되도록 제2코일에 의하여 발생하는 토오크를 제어하는 것을 특징으로 하는 자동차.
  13. 제10항에 있어서, 상기 전력 변환기는 제1회전자의 회전속도가 제2회전자의 회전속도보다 높은 경우에는 제1코일로 발전시키고, 제2코일에 의하여 방전하는 제어를 행하고, 제1회전자의 회전속도가 제2회전자의 회전속도보다 낮은 경우에는 상기 제2코일로 발생시키고, 상기 제1코일에 의하여 방전하는 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 자동차.
  14. 제10항에 있어서, 상기 전력 변환기는 축전장치를 구비함과 동시에 상기 구동축에 필요한 토오크를 제1 및 제2코일에 의하여 발생시켰을 때 생기는 잉여 또는 부족한 에너지를 상기 축전장치에 축전 또는 방전하는 것을 특징으로 하는 자동차.
  15. 제10항에 있어서, 상기 엔진과 변속장치사이에 증속기어를 설치한 것을 특징으로 하는 자동차.
  16. 제10항에 있어서, 상기 제1 및 제2전력 변환기의 직류단자간을 각각 접속한 것을 특징으로 하는 자동차.
  17. 제10항에 있어서, 상기 제2코일이 발생하는 최대 토오크는 제1코일이 발생하는 최대 토오크이상인 것을 특징으로 하는 자동차.
  18. 제10항에 있어서, 상기 제1회전자의 입력축에 엔진을, 상기 제2회전자의 출력축에 차축을 개재하여 구동륜을 접속한 것을 특징으로 하는 자동차.
  19. 엔진과 축전장치와, 상기 엔진의 회전에너지를 상기 축전장치에 축전하고, 그 축전한 에너지를 차체를 구동하는 구동축의 토오크로 변환하는 에너지 변환장치를 구비한 하이브리드 자동차에 있어서, 상기 에너지 변환장치는 상기 엔진에 의하여 회전되는 제1회전자와, 상기 구동축을 회전하는 제2회전자와, 상기 제1 및 제2회전자 상호간에 토오크를 발생하는 제1코일과, 상기 제1 또는 제2회전자와 고정자 상호간에 토오크를 발생하는 제2코일과, 운전자의 운전지령에 대하여 속도비를 결정하는 제어장치와, 상기 속도가 되도록 상기 제1, 제2코일로 흘리는 전류를 독립적으로 제어하는 전력 변환기를 구비한 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차.
    ※참고사항:최초출원 내용에 의하여 공개하는 것임.
KR1019970034148A 1996-07-23 1997-07-22 무단변속장치 및 이를 이용한 자동차 KR980010046A (ko)

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