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KR102714053B1 - 전기차용 동력시스템 - Google Patents

전기차용 동력시스템 Download PDF

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Publication number
KR102714053B1
KR102714053B1 KR1020230179272A KR20230179272A KR102714053B1 KR 102714053 B1 KR102714053 B1 KR 102714053B1 KR 1020230179272 A KR1020230179272 A KR 1020230179272A KR 20230179272 A KR20230179272 A KR 20230179272A KR 102714053 B1 KR102714053 B1 KR 102714053B1
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KR
South Korea
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gear
shaft
input
power
brake
Prior art date
Application number
KR1020230179272A
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English (en)
Inventor
이승미
이승철
Original Assignee
이승미
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by 이승미 filed Critical 이승미
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Abstract

본 발명은 전기차용 동력시스템에 관한 것으로, 회생제동이 가능한 메인모터와, 메인모터에 의해 회전 구동되는 입력축과, 입력축과 연결되어 메인모터의 동력을 전달받아 출력하는 출력축을 포함하는 전기차용 동력시스템으로서, 입력축에는 복수개 이상의 입력기어가 구비되고, 입력축과 출력축 사이에는 입력축의 입력기어와 각각 연결되어 입력축의 동력을 출력축으로 전달하는 복수개 이상의 기어들을 갖는 복합 유성기어 유닛이 구비되며, 복합 유성기어 유닛의 기어들에 연결되어 복합 유성기어 유닛을 통해 출력축으로 출력되는 동력을 선택적으로 단속하는 브레이크클러치 유닛이 구비되고, 출력축에 연결되어 연동 회전되면서 차량의 제동시 회생제동은 물론 주행시엔 상시 발전이 가능한 발전유닛이 구비되며, 메인모터 및 발전유닛에서 생성된 전기에너지를 배터리팩에 충전과 주행방전을 동시에 실행할 수 있는 배터리시스템을 포함하는 전기차용 동력시스템을 제공한다.

Description

전기차용 동력시스템{Power system for electric vehicles}
본 발명은 전기차용 동력시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전기차의 변속장치를 다단 모드로 구성하여 메인모터의 동력을 전기차의 각 변속단에 따라 다양한 출력으로 제공하고, 변속장치의 출력단에 발전장치가 구성되어 바퀴의 회전 관성력에 의한 추가적인 회생제동 발전 및 메인모터의 잉여 토오크에 의한 상시 발전과 더불어 배터리팩을 분할하여 구성함에 따라 충전과 방전을 동시에 실행할 수 있는 전기차용 동력시스템에 관한 것이다.
최근 세계적으로 점차 가속화되는 이상기후 대응책의 일환으로, 화석연료시대를 서서히 마감시키고, 전기를 비롯한 대체에너지를 이용한 친환경 운송수단의 개발이 활발히 진행되고 있다.
이러한 운송수단에서 전기 자동차의 출현은 그 대표적인 사례라고 할 수 있으나, 아직까지 기존의 화석연료 운송수단을 완벽하게 대체 할 수준에 미치지 못하고 있다.
기존 전기 자동차는 모터 고유의 변속기능과 1단 고정감속기만을 이용한 동력체계를 채택하고 있기 때문에, 저속/고속 구간에서의 광범위한 주행 영역을 효율적인 에너지 사용 체계로 대응 및 제어하기가 어렵다.
특히, 저속에서의 높은 토크 필요성에 부합하는 높은 감속비는 고속에서의 속도를 높이는데 필요한 낮은 감속비와 상반된 함수이므로, 이 두 함수가 단일 방법으로 해법이 공존할 수 없음에도 불구하고 기존의 전기 자동차의 대부분은 1단 고정감속기와 고출력/초고속 rpm 모터를 적용한 위의 모순된 형태를 취하고 있고, 최근 개발되는 전기 자동차는 2단 감속기를 적용하려는 시도 및 저속/고속 대응을 2개 이상의 모터 동력시스템으로 대응하는 제품을 선보이고 있으나, 아직까지 화석연료 운송수단을 완전히 대체하기에는 미흡한 수준이다.
또한, 기존 전기 자동차는 제품 성능을 높이기 위해, 저속 구간은 모터의 출력을 높이는 방법으로 대응하고, 고속 구간을 초고속 rpm으로 해결하고 있는 실정이므로 이에 수반되는 전기장치들의 사양이 계속 높아질 수밖에 없고, 이에 따른 전력 소모가 더 커지므로 인해 배터리 탑재량이 점점 더 증대되는 경향이 나타나고 있다.
이런 전기 자동차의 현 수준으로는 1회 충전당 주행거리가 짧아 기존의 화석연료 운송수단을 신속히 대체해 나가는 데에는 한계가 있다.
이러한 근본적인 문제 해결을 위해서는 모터 효율개선, 배터리 효율개선, 변속기 개발, 알려지지 않은 기술개발 등을 포함하여 다양한 연구를 진행하고 있으나, 아직까지 획기적인 방안이 적용된 제품이나 기술이 나오지 못하고 있는 실정이다.
대한민국 등록특허 제10-1156176호
따라서, 본 발명은 전술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 전기차의 변속장치를 다단 모드로 구성하여 메인모터의 동력을 전기차의 각 변속단에 따라 다양한 출력으로 제공함으로써 메인모터의 토오크 효율을 향상시킬 수 있는 전기차용 동력시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또, 본 발명은 변속장치의 출력단에 발전장치가 구비되어 바퀴의 회전 관성력에 의한 추가적인 회생제동 발전과 주행시 메인모터의 잉여 토오크를 이용하여 상시 발전하여, 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 전기차용 동력시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또, 본 발명은 배터리팩을 분할하여 구성함에 따라 회생 충전과 주행 방전을 동시에 실행할 수 있고, 운영 목적에 따라 분할된 배터리팩을 순차적으로 단독 또는 병합 운전할 수 있는 전기차용 동력시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전기차용 동력시스템은, 회생제동이 가능한 메인모터와, 메인모터에 의해 회전 구동되는 입력축과, 입력축과 연결되어 메인모터의 동력을 전달받아 출력하는 출력축을 포함하는 전기차용 동력시스템으로서, 입력축에는 복수개 이상의 입력기어가 구비되고, 입력축과 출력축 사이에는 입력축의 입력기어와 각각 연결되어 입력축의 동력을 출력축으로 전달하는 복수개 이상의 기어들을 갖는 복합 유성기어 유닛이 구비되며, 복합 유성기어 유닛의 기어들에 연결되어 복합 유성기어 유닛을 통해 출력축으로 출력되는 동력을 선택적으로 단속하는 브레이크클러치 유닛이 구비되고, 출력축에 연결되어 연동 회전되면서 차량의 제동시 회생제동은 물론 주행시엔 상시 발전이 가능한 발전유닛이 구비되며, 메인모터 및 발전유닛에서 생성된 전기에너지를 배터리팩에 회생 충전과 주행방전을 동시에 실행할 수 있는 배터리시스템을 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 복합 유성기어 유닛은 입력축의 동력을 출력축으로 전달하기 위한 선기어와 링기어, 유성기어를 포함하되, 선기어에는 그 중심에서 돌출되는 선기어축이 구비되고, 선기어축에는 입력축의 일측 입력기어와 브레이크클러치 유닛에 연결되어 동력을 전달하는 적어도 하나 이상의 중간기어가 구비되며, 선기어를 감싸는 링기어에는 그 중심에서 돌출되는 링기어축이 구비되고, 링기어축에는 입력축의 타측 입력기어와 브레이크클러치 유닛에 연결되어 동력을 전달하는 적어도 하나 이상의 외경기어가 구비되며, 링기어와 선기어를 연결하는 다수의 유성기어에는 다수의 유성기어를 연결하는 캐리어가 구비되고, 캐리어의 중심에는 출력축이 돌출되게 구비될 수 있다.
게다가, 선기어축의 중간기어와 이에 대응한 입력축의 일측 입력기어가 복수개 이상으로 구비될 시에는 중간기어가 해당 일측 입력기어에 서로 다른 기어비로서 선택적으로 연결되게 구비될 수 있다.
또한, 링기어축의 외경기어와 이에 대응한 입력축의 타측 입력기어가 복수개 이상으로 구비될 시에는 외경기어가 해당 타측 입력기어에 서로 다른 기어비로서 선택적으로 연결되게 구비될 수 있다.
이와 더불어, 캐리어의 출력축에는 출력축과 같이 회전되는 출력기어와, 출력축의 회전을 정지시키기 위한 파킹브레이크기어가 구비될 수 있다.
한편, 입력축은 서로 다른 직경을 가진 채로 각기 회전되는 이중관 구조의 제1,2 입력축으로 구비되고, 제1 입력축에는 타측 입력기어가, 제2 입력축에는 일측 입력기어가 각각 해당 입력축과 상대 회전이 가능하게 결합되어 구비되며, 제1,2 입력축에는 해당 입력축과 같이 회전되면서 해당 입력축에서 축방향으로 이동 가능하게 결합되어 각 입력기어를 해당 입력축에 연결시켜 동력을 전달시키는 시프트유닛이 구비될 수 있다.
그리고, 입력축은 서로 다른 직경을 가진 채로 각기 회전되는 이중관 구조의 제1,2 입력축으로 구비되고, 제1 입력축에는 타측 입력기어가, 제2 입력축에는 일측 입력기어가 각각 해당 입력축과 같이 회전되게 결합되어 구비되며, 선기어축과 링기어축에는 각각의 해당 축과 같이 회전되면서 해당 축에서 축방향으로 이동 가능하게 결합되어 중간기어 또는 외경기어를 각각 선기어축 또는 링기어축에 연결시켜 동력을 전달시키는 시프트유닛이 구비될 수 있다.
게다가, 선기어축에는 중간기어가 선기어축과 상대 회전이 가능하게 결합되어 구비되는 한편 선기어축과 같이 회전되게 결합되는 선기어축용 브레이크기어가 더 구비되고, 링기어축에는 외경기어가 링기어축과 상대 회전이 가능하게 결합되어 구비되는 한편 링기어축과 같이 회전되게 결합되는 링기어축용 브레이크기어가 더 구비되며, 선기어축용 브레이크기어와 링기어축용 브레이크기어에는 브레이크클러치 유닛이 선택적으로 연결되어 동력전달을 단속하도록 구비될 수 있다.
또한, 제1,2 입력축과 메인모터 사이에는 메인모터와 제1,2 입력축 간의 연결을 각각 단속하여 메인모터의 동력을 제1,2 입력축으로 선택적으로 전달하는 제1,2 구동클러치가 구비될 수 있다.
한편, 브레이크클러치 유닛은, 복합 유성기어 유닛의 기어들과 각각 결합되어 복합 유성기어 유닛의 기어들의 회전을 제어하는 제1,2 브레이크기어; 서로 다른 직경을 가진 채로 각기 회전되는 이중관 구조로서 제1,2 브레이크기어에 각각 구비되는 제1,2 브레이크축; 제1,2 브레이크축에 각각 구비되어 제1,2 브레이크축과의 연결을 각각 단속하는 제1,2 브레이크클러치;를 포함하여, 복합 유성기어 유닛을 통해 출력축으로 출력되는 동력을 단속하도록 구비될 수 있다.
그리고, 발전유닛은 출력축에 연결되어 연동 회전되는 발전축과, 발전축의 회전에 의해 발전이 이루어지는 발전모터를 포함할 수 있다.
그리고, 발전축에는 공회전 가능한 상태로 결합되어 출력축에 서로 다른 기어비로서 각각 연결되는 복수의 발전기어가 구비되고, 발전축에는 발전축과 같이 회전되면서 축방향으로는 이동 가능하게 결합되어 복수의 발전기어를 발전축에 선택적으로 연결시켜 변속 발전이 가능하게 하는 발전시프트유닛이 구비될 수 있다.
또한, 복수의 발전기어 중 일측 발전기어는 출력축과 감속비를 갖도록 구비되고, 타측 발전기어는 출력축과 증속비를 갖도록 구비될 수 있다.
한편, 배터리시스템에는 배터리팩이 분할되어 구비되고, 각 배터리팩에는 스위칭유닛이 각각 연결되어 구비되며, 독립된 각 스위칭유닛에는 각각 메인모터와 발전유닛을 연결하는 인버터가 구비되어, 분할된 배터리팩에 충전과 방전을 동시에 실행할 수 있도록 구성될 수 있다.
그리고, 스위칭유닛은 제1,2 스위칭유닛으로 구비되고, 제1,2 스위칭유닛에는 분할된 배터리팩에 대응되는 다수의 스위치가 구비되며, 각 스위치는 각 배터리팩에 일대일 대응되게 연결되어 구비될 수 있다.
또한, 분할된 배터리팩은 방향성을 갖도록 나열되게 구비되어, 첫번째 배터리팩부터 마지막 배터리팩 순으로 차례로 사용되어 방전되고, 충전은 마지막 배터리팩에서부터 첫번째 배터리팩 순으로 차례로 충전되게 구비될 수 있다.
이에 더하여, 분할된 배터리팩의 최초 충전시 마지막 배터리팩은 50∼70％까지만 충전되도록 구비될 수 있다.
본 발명의 전기차용 동력시스템에 따르면, 전기차의 변속장치를 다단 변속 모드로 구성하여 메인모터의 동력을 변속장치를 통해 전기차의 각 변속단에 따라 각기 다른 동력으로 변환하여 출력함으로써 메인모터의 토오크 효율이 향상되어 작은 모터로도 큰 구동력을 얻을 수 있고, 전력소모를 줄일 수 있어 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또, 본 발명에 따르면, 변속장치의 출력단에 발전장치가 구비되어 바퀴의 회전 관성력에 의한 추가적인 회생제동 발전과 주행시 메인모터의 잉여 토오크를 이용하여 상시 발전할 수 있고, 바퀴로부터 들어오는 속도에 따라 변속 발전할 수 있으므로 발전효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
또, 본 발명에 따르면, 배터리팩을 분할하여 구성함에 따라 회생 충전과 주행 방전을 동시에 실행할 수 있고, 운영 목적에 따라 분할된 배터리팩을 순차적으로 단독 또는 병합 운전할 수 있으므로, 회생 발전에 따른 에너지 효율이 우수하고 유지 보수가 간편한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전기차용 동력시스템을 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 전기차용 동력시스템에 구성되는 복합 유성기어 유닛을 도시한 구성도이다.
도 3 내지 도 10은 본 발명에 따른 전기차용 동력시스템의 각 변속 모드를 도시한 작동도이다.
도 11a 및 도 11b은 본 발명에 따른 전기차용 동력시스템에서 메인모터의 작동시 저속 및 고속 구간에서의 상시 발전 흐름을 각각 도시한 도면이다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명에 따른 전기차용 동력시스템에서 회생제동시 저속 및 고속 구간에서의 회생 발전 흐름을 각각 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명에 따른 전기차용 동력시스템에 구성되는 배터리시스템의 회로 구성을 도시한 도면이다.
도 14는 본 발명에 따른 전기차용 동력시스템에 구성되는 배터리팩의 구성도이다.
도 15는 본 발명에 따른 전기차용 동력시스템에 구성되는 배터리팩의 충전 및 방전구조를 도시한 도면이다.
도 16은 본 발명에 따른 전기차용 동력시스템의 제어시스템을 도시한 블록도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 발명의 기술적 사항에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다.
아울러, 본 발명의 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하며, 본 발명의 명세서 전반에 걸친 기술사상에 포함되고 청구범위의 구성요소에서 균등물로서 치환 가능한 구성요소를 포함하는 실시예이다.
그리고, 아래 실시예에서의 선택적인 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로서, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.
이에, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
첨부도면 도 1 내지 도 16은 본 발명에 따른 전기차용 동력시스템에 구성되는 복합 유성기어 유닛과, 다단변속장치, 발전유닛, 배터리시스템을 도시한 도면들이다.
여기서, 본 실시예를 설명하기에 앞서, 이하의 실시예에서는 본 발명의 복합 유성기어 유닛과 발전유닛, 배터리시스템을 포함하는 동력시스템이 전기차에 적용된 것을 일례로 예시하여 설명하지만, 전기차 뿐 아니라 하이브리드 전기차에도 적용 가능함을 미리 밝혀둔다.
본 발명에 따른 전기차용 동력시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 회생제동이 가능한 메인모터(100)와, 메인모터(100)에 의해 회전 구동되는 입력축(220)(230)과, 입력축(220)(230)과 연결되어 메인모터(100)의 동력을 전달받아 출력하는 출력축(720)을 포함한다.
이에 더하여, 전기차용 동력시스템에는 입력축에 복수개 이상으로 설치되는 입력기어(이하에서는 후술될 "4개의 입력기어(300)(310)(320)(330)"를 일례로 예시하여 설명한다)가 구비되고, 입력축(220)(230)과 출력축(720) 사이에는 입력축(220)(230)의 입력기어(300)(310)(320)(330)와 각각 연결되어 입력축(220)(230)의 동력을 출력축(720)으로 전달하는 복수개 이상의 기어들을 갖는 복합 유성기어 유닛이 구비되며, 복합 유성기어 유닛의 기어들에 연결되어 복합 유성기어 유닛을 통해 출력축(720)으로 출력되는 동력을 선택적으로 단속하는 브레이크클러치 유닛이 구비되고, 복합 유성기어 유닛의 출력축(720)에 연결되어 연동 회전되면서 차량의 제동시 회생제동은 물론 주행시엔 상시 발전이 가능한 발전유닛이 구비되며, 메인모터(100) 및 발전유닛에서 생성된 전기에너지를 배터리팩(900)(910)(920)에 회생 충전과 주행방전을 동시에 실행할 수 있는 배터리시스템이 더 구비된다.
특히, 메인모터(100)의 모터축(110)에는 구동클러치가 연결되고, 구동클러치에 의해 메인모터(100)의 동력은 단속되어 전달되게 구비된다.
이러한 구동클러치는 복수의 클러치로 이루어진 이중 클러치 구조로 구비되고, 이중 구조의 구동클러치는 후술될 제1,2 입력축(220)(230)에 각각 연결되는 제1,2 구동클러치(200)(210)로 구비된다.
이러한 제1 구동클러치(200)는 클러치 케이스(미도시)에서 내측 방향(메인모터(100)와 먼 방향)으로 위치되게 구비되고, 제2 구동클러치(210)는 제1 구동클러치(200)보다 메인모터(100)에 근접한 외측 방향으로 위치되게 구비될 수 있다.
이와 같은 제1,2 구동클러치(200)(210)는 그 중심부에 제1,2 입력축(220)(230)이 각각 연결되고, 제1,2 입력축(220)(230)은 제1 구동클러치(200) 또는 제2 구동클러치(210)가 작동됨에 따라 메인모터(100)의 동력을 후술될 복합 유성기어 유닛에 구성되는 선기어(500) 또는 링기어(600)로 선택적으로 전달하도록 구비된다.
이를 위해, 입력축은 서로 다른 직경을 갖는 복수의 축이 이중관 구조로 구비된 제1,2 입력축(220)(230)으로 이루어질 수 있고, 제1 입력축(220)은 제2 입력축(230)보다 상대적으로 작은 직경을 가진 채로 제2 구동클러치(210)에 연결되어 구비되고, 제2 입력축(230)은 제1 입력축(220)보다 상대적으로 큰 직경을 가진 채로 제1 구동클러치(200)에 연결되어 구비된 구조를 일례로 예시하여 설명하나, 제1,2 입력축(220)(230)의 연결구조는 위 예시에 국한되거나 한정되지 않고 반대로 연결되어 구비될 수도 있다.
이때, 상대적으로 큰 직경을 갖는 제2 입력축(230)은 중공관으로 형성되고, 상대적으로 작은 직경을 갖는 제1 입력축(220)은 제2 입력축(230)에 삽입되어 관통되게 구비됨으로써, 제1,2 입력축(220)(230)은 그 중심이 제1 입력축(220)을 기준으로 서로 다른 반경으로 회전되는 동심원을 갖는다.
이로써, 제1 입력축(220)은 제2 입력축(230)을 관통한 상태로 제2 구동클러치(210)에 의해 메인모터(100)와 연결됨에 따라 메인모터(100)의 동력을 전달하게 되고, 제2 입력축(230)은 제1 구동클러치(200)에 의해 메인모터(100)와 연결됨에 따라 메인모터(100)의 동력을 전달하게 된다.
이와 같이 메인모터(100)의 동력을 전달하는 제1,2 입력축(220)(230)은 그 직경이 서로 다르게 구비되지만, 하나의 메인모터(100)에 제1,2 구동클러치(200)(210)로서 연결됨으로써, 동일한 방향과 회전수로 구동될 수 있다.
또한, 상기와 같은 제1,2 입력축(220)(230)에는 각각의 입력기어(300)(310)(320)(330)가 구비되고, 각 입력기어(300)(310)(320)(330)는 해당 입력축(220)(230)에 상대 회전이 가능한 구조로 결합 즉 서로 회전이 간섭되지 않도록 결합되어 구비된다.
특히, 제1 구동클러치(200)와 연결된 제2 입력축(230)에는 제1,2 입력기어(300)(310)가 구비되고, 제2 구동클러치(210)와 연결된 제1 입력축(220)에는 제3,4 입력기어(320)(330)가 구비된다.
이와 같이 구비되는 제1 입력기어(300)는 후술될 복합 유성기어 유닛에 구성되는 선기어축(510)의 제2 중간기어(530)와 치합되어 구비되고, 제2 입력기어(310)는 선기어축(510)의 제1 중간기어(520)와 치합되어 구비된다.
또한, 제3 입력기어(320)는 후술될 복합 유성기어 유닛에 구성되는 링기어축(610)의 제1 외경기어(620)와 치합되어 구비되고, 제4 입력기어(330)는 링기어축(610)의 제2 외경기어(630)와 치합되어 구비된다.
이때, 제1 입력기어(300)와 후술될 제2 중간기어(530) 간의 기어비 즉 감속비, 제4 입력기어(330)와 후술될 제2 외경기어(630) 간의 기어비, 제2 입력기어(310)와 후술될 제1 중간기어(520) 간의 기어비, 제3 입력기어(320)와 후술될 제1 외경기어(620) 간의 기어비 순으로 점차 작은 기어비를 갖도록 구비되고, 큰 기어비에서 작은 기어비로 갈수록 저속에서 고속의 변속단으로 구성된다.
여기서, 상기와 같은 입력기어(300)(310)(320)(330)와, 후술될 선기어축(510)의 중간기어(520)(530) 및 링기어축(610)의 외경기어(620)(630)는 변속장치의 변속 모드 즉 변속 단수에 따라 기어의 개수를 가감하여 구비할 수 있고, 이에 따라 변속장치의 변속 모드를 다단의 변속 모드로 구성할 수 있게 된다.
한편, 제1,2 입력기어(300)(310) 사이와, 제3,4 입력기어(320)(330) 사이의 각 입력축(220)(230)에는 해당 입력축(220)(230)을 해당 입력기어(300)(310)(320)(330)와 연결시켜 입력축(220)(230)의 동력을 전달하는 제1,2 시프트유닛(340)(350)이 각각 구비될 수 있다.
이러한 제1,2 시프트유닛(340)(350)은 수동변속기의 싱크로나이저 기구와 같은 구조로서, 각 입력축(220)(230)에 스플라인 결합(또는 세레이션 결합)되어 해당 입력축(220)(230)과 같이 회전되고, 회전되는 시프트유닛(340)(350)이 해당 입력축(220)(230)의 축방향으로 이동되어 정지 상태의 입력기어(300)(310)(320)(330)와 결합됨으로써 결합된 입력기어(300)(310)(320)(330)를 해당 입력축(220)(230)과 동기시켜 회전시킬 수 있게 된다.
물론, 이때 제1,2 시프트유닛(340)(350)의 이동은 시프트레버(미도시)나 유압실린더 및 시프트포크(미도시)와 같은 작동수단에 의해 이루어질 수 있다.
한편, 복합 유성기어 유닛은 다단의 링기어(600)와, 다단의 선기어(500), 다단의 캐리어(710)로 구성되는 한편 각각의 링기어(600)와, 선기어(500) 및 캐리어(710)가 전술한 변속장치의 입력축(220)(230)과, 후술될 브레이크클러치 유닛에 각각 선택적으로 연결되어 메인모터(100)의 동력을 출력축(720)으로 전달하도록 구성된다.
이러한 복합 유성기어 유닛을 도 2를 참조하여 구체적으로 설명하면, 전기차의 동력원인 메인모터(100)에 의해 회전되는 입력축(220)(230)의 동력을 출력축(720)으로 전달하여 출력하는 복합 유성기어 유닛으로서, 복합 유성기어 유닛을 구성하는 선기어(500)에는 그 중심에서 외측으로 돌출되는 선기어축(510)이 구비되고, 선기어축(510)에는 입력축(220)(230)의 제1,2 입력기어(300)(310)에 서로 다른 기어비로서 선택적으로 연결되어 동력을 전달하는 복수의 중간기어(520)(530)가 구비된다.
그리고, 선기어(500)를 감싸는 링기어(600)에는 그 중심에서 외측으로 돌출되는 링기어축(610)이 구비되고, 링기어축(610)에는 입력축(220)(230)의 제3,4 입력기어(320)(330)에 서로 다른 기어비로서 선택적으로 연결되어 동력을 전달하는 복수의 외경기어(620)(630)가 구비된다.
또한, 링기어(600)와 선기어(500)를 연결하는 다수의 유성기어(700)에는 다수의 유성기어(700)를 연결하는 캐리어(710)가 각 유성기어(700)의 중심에 아이들링 즉 공회전 가능한 상태로 결합되어 구비되고, 캐리어(710)의 중심에는 외측으로 돌출되는 출력축(720)이 구비된다.
여기서, 선기어축(510)과 링기어축(610)은 이에 구비되는 복수의 중간기어(520)(530)와 복수의 외경기어(620)(630)가 입력축(220)(230)의 입력기어(300)(310)(320)(330)에 각각 연결되어 선택적으로 동력전달이 가능하게 되므로 동일한 방향으로 돌출되게 구비되는 것이 동력전달 구조를 간단하게 구성할 수 있는 장점을 갖는다.
이에 더하여, 선기어축(510)과 링기어축(610)은 동일한 방향으로 돌출됨과 더불어 링기어축(610)은 선기어축(510)의 일측부를 감싸는 중공관으로 구비된다.
특히, 중공의 링기어축(610)에는 선기어축(510)이 관통되게 결합됨과 더불어 선기어축(510)의 외측면과 링기어축(610)의 내측면이 서로 이격된 상태로 구비됨으로써 선기어축(510)과 링기어축(610)은 서로 간섭되지 않고 상대 회전이 가능하게 구비된다.
그리고, 선기어축(510)의 복수의 중간기어(520)(530)는 선기어축(510)에 고정되게 설치되어 선기어축(510)과 복수의 중간기어(520)(530)가 일체로 회전되고, 링기어축(610)의 복수의 외경기어(620)(630) 역시도 링기어축(610)에 고정되게 설치되어 링기어축(610)과 복수의 외경기어(620)(630)가 일체로 회전되게 구비된다.
또한, 선기어축(510)에 구비되는 복수의 중간기어(520)(530) 중 제2 중간기어(530)는 제1 중간기어(520)보다 더 큰 직경으로 구비되어 제1 중간기어(520)보다 큰 기어비를 갖도록 구비된다.
이로써, 선기어축(510)의 제2 중간기어(530)는 제1 중간기어(520)보다는 입력축(220)(230)의 저속단 입력기어(변속장치의 1단 변속 모드인 제1 입력기어(300))와 연결되어 큰 기동 토오크를 전달할 수 있고, 제1 중간기어(520)는 제2 중간기어(530)보다는 고속단 입력기어와 연결됨이 바람직하다.
그리고, 링기어축(610)에 구비되는 복수의 외경기어(620)(630)는 선기어축(510)의 중간기어(520)(530)와 마찬가지로 제2 외경기어(630)가 제1 외경기어(620)보다 더 큰 직경으로 구비되어 제1 외경기어(620)보다 큰 기어비를 갖도록 구비된다.
이로써, 링기어축(610)의 제2 외경기어(630) 역시도 제1 외경기어(620)보다는 입력축(220)(230)의 저속단 입력기어(변속장치의 2단 변속 모드인 제4 입력기어(330))와 연결되어 큰 기동 토오크를 전달할 수 있고, 제1 외경기어(620)는 제2 외경기어(630)보다는 고속단 입력기어와 연결되게 구비됨이 바람직하다.
게다가, 상기와 같이 각각 입력축(220)(230)의 입력기어(300)(310)(320)(330)와 연결되는 제1,2 중간기어(520)(530) 및 제1,2 외경기어(620)(630)는 입력기어(300)(310)(320)(330)와의 기어비 즉 감속비가 전술한 바와 같이 제2 중간기어(530), 제2 외경기어(630), 제1 중간기어(520), 제1 외경기어(620) 순으로 갈수록 작아지도록 구비된다.
즉, 제2 중간기어(530)에 의한 동력전달은 최저속 모드이고, 제2 외경기어(630)에 의한 동력전달은 최저속 모드보단 높은 저속 모드이며, 제1 중간기어(520)에 의한 동력전달은 저속 모드보단 높은 고속 모드이고, 제1 외경기어(620)에 의한 동력전달은 고속 모드보다 높은 고속 모드로 구비된다.
그리고, 유성기어(700)는 선기어(500)의 외주와 링기어(600)의 내주 사이에서 각각 외접 및 내접되어 치합된 상태로 구비되는 다수의 피니언기어로서, 다수의 유성기어(700)는 하나의 캐리어(710)로서 연결되게 구비된다.
이때, 캐리어(710)는 각 유성기어(700)의 중심에 상대 회전이 가능한 구조로 연결되어, 유성기어(700)가 제자리 회전(자전)될 시엔 캐리어(710)는 정지된 상태를 유지하게 되고, 유성기어(700)가 선기어(500)의 외주를 따라 이동되는 공전시엔 캐리어(710)가 공전되는 유성기어(700)와 같은 방향으로 회전(자전)된다.
이러한 캐리어(710)에는 그 중심에서 외측으로 돌출되는 출력축(720)이 구비되는 바, 출력축(720)은 선기어축(510) 및 입력축(220)(230)과는 다른 방향 즉 반대 방향으로 돌출되게 구비될 수 있다.
게다가, 출력축(720)에는 전기차의 차동장치(750)(디퍼런셜기어)와 연결되어 차동장치(750)로 동력을 전달하는 출력기어(730)가 구비됨으로써, 차량의 선회작동이 원활히 이루어지게 된다.
이와 더불어, 출력축(720)에는 전기차의 파킹브레이크 장치(미도시)와 연결되는 파킹브레이크기어(740)가 구비되어 파킹브레이크기어(740)를 록킹함으로써, 차량을 파킹한 상태로 정차 또는 주차할 수 있게 된다.
한편, 상기와 같은 변속장치에 브레이크클러치 유닛이 더 구성됨으로써 변속장치의 변속 모드를 다단 변속 모드로 다양하게 구성할 수 있게 된다.
이러한 브레이크클러치 유닛은 도 1에 도시된 바와 같이, 전술한 구동클러치와 마찬가지로 복수의 클러치로 이루어진 이중 클러치 구조로 구비되는 바, 이중 구조의 브레이크클러치 유닛은 후술될 제1,2 브레이크축(420)(430)에 각각 연결되는 제1,2 브레이크클러치(400)(410)로 구비된다.
제1 브레이크클러치(400)는 제1,2 브레이크축(420)(430)의 가운데 측과 근접한 내측 방향으로 위치되어 구비되고, 제2 브레이크클러치(410)는 제1,2 브레이크축(420)(430)의 일단부와 근접한 외측 방향으로 위치되어 구비될 수 있다.
그리고, 제1,2 브레이크클러치(400)(410)의 중심에는 제1,2 브레이크축(420)(430)이 연결되고, 제1,2 브레이크축(420)(430)은 제1 브레이크클러치(400) 또는 제2 브레이크클러치(410)가 작동됨에 따라 선기어축(510) 또는 링기어축(610)의 회전을 단속하여 제어함으로써 메인모터(100)의 동력을 변속하여 출력축(720)으로 전달하도록 구비된다.
또한, 제1,2 브레이크축(420)(430)은 서로 다른 직경을 갖는 복수의 축이 이중관 구조로 구비되되, 제1 브레이크축(420)은 제2 브레이크축(430)보다 상대적으로 작은 직경을 가진 채로 제2 브레이크클러치(410)에 연결되어 구비되고, 제2 브레이크축(430)은 제1 브레이크축(420)보다 상대적으로 큰 직경을 가진 채로 제1 브레이크클러치(400)에 연결되어 구비된다.
특히, 제2 브레이크축(430)은 중공관으로 구비되고, 제1 브레이크축(420)은 제2 브레이크축(430)에 삽입되어 관통되게 구비됨으로써, 제1,2 브레이크축(420)(430)은 그 중심의 제1 브레이크축(420)을 기준으로 서로 다른 반경으로 회전되는 동심원을 갖는다.
게다가, 상기와 같은 제1,2 브레이크축(420)(430)에는 제1,2 브레이크기어(440)(450)가 각각 구비되고, 제1,2 브레이크기어(440)(450)는 해당 브레이크축(420)(430)과 일체로 회전되도록 결합되어 구비되는 바, 제1 브레이크기어(440)는 제1 브레이크축(420)에 일체로 결합되어 구비되고, 제2 브레이크기어(450)는 제2 브레이크축(430)에 일체로 결합되어 구비된다.
그리고, 제1 브레이크기어(440)는 링기어축(610)의 제1 외경기어(620)와 치합되어 구비되고, 제2 브레이크기어(450)는 선기어축(510)의 제1 중간기어(520)와 치합되어 구비된다.
이로써, 제1 브레이크기어(440)는 링기어축(610)의 제1 외경기어(620)와 치합된 상태로 링기어축(610)의 회전에 의해 제1 브레이크축(420)과 함께 공회전되다가 제2 브레이크클러치(410)가 작동되면, 도 3에서와 같이 제1 브레이크축(420) 및 제1 브레이크기어(440)의 회전이 정지되고, 이에 따라 제1 브레이크기어(440)에 치합된 제1 외경기어(620)와 링기어축(610)의 회전이 정지됨으로써, 링기어(600)를 통한 동력전달은 차단되고, 선기어(500)를 통한 동력전달만이 가능하게 된다.
또, 제2 브레이크기어(450)는 선기어축(510)의 제1 중간기어(520)와 치합된 상태로 선기어축(510)의 회전에 의해 제2 브레이크축(430)과 함께 공회전되다가 제1 브레이크클러치(400)가 작동되면, 도 4에서와 같이 제2 브레이크축(430) 및 제2 브레이크기어(450)의 회전이 정지되고, 이에 따라 제2 브레이크기어(450)에 치합된 제1 중간기어(520)와 선기어축(510)의 회전이 정지됨으로써, 선기어(500)를 통한 동력전달은 차단되고, 링기어(600)를 통한 동력전달만이 가능하게 된다.
따라서, 상기와 같은 제1,2 브레이크클러치(400)(410)는 제1,2 브레이크기어(440)(450)와 제1,2 브레이크축(420)(430)으로 선기어(500) 또는 링기어(600)의 구동을 제어하여 동력전달을 단속함으로써 변속장치의 변속 모드를 다단 구조로 다양하게 구현할 수 있게 된다.
한편, 상기와 같은 복합 유성기어 유닛의 출력단에는 발전유닛이 연결되어 구성됨으로써 본 발명의 변속장치에서는 감속이나 제동시 회생제동은 물론 주행시에도 상시 발전이 가능하여 에너지 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
이러한 발전유닛은 단일 발전유닛 또는 변속 발전유닛으로 구성될 수 있다.
먼저, 단일 발전유닛은 도면으로 도시되지는 않았지만 도 1을 참조하여 보면, 발전모터(800)에는 회전 가능한 발전축(810)이 구비되고, 발전축(810)에는 출력축(720)의 출력기어(730)와 치합된 상태로 고정되는 단일의 발전기어(820)(여기서, 단독 발전기어는 후술될 제2 실시예에서의 제1 발전기어(820)와 동일한 구성이므로 동일한 도면번호를 부여하여 설명한다)가 구비될 수 있다.
특히, 발전모터(800)는 그 내부에 코일로 이루어진 고정자와, 고정자의 내부에서 회전되는 전자석의 회전자가 구비되지만, 본 발명에서는 발전축(810)이 발전모터(800)의 회전자로 구비된다.
게다가, 상기와 같은 발전축(810)에는 단일의 발전기어(820)가 고정된 상태로 출력축(720)의 출력기어(730)와 치합돼 있으므로 발전축(810)과 출력축(720)은 항시 동기되어 회전된다.
이로써, 메인모터(100)가 작동되는 전기차의 주행시 메인모터(100)의 잉여에너지를 발전모터(800)에서 일정한 전기에너지로 전환하는 상시 발전이 이루어지게 되고, 메인모터(100)가 작동하지 않는 감속이나 제동시 또는 내리막길 주행시 바퀴의 관성력에 의해 메인모터(100)에서는 회생제동에 의한 회생 발전이 이루어짐과 더불어 발전모터(800)에서는 메인모터(100)의 작동시와 마찬가지로 바퀴의 관성력을 일정한 전기에너지로 전환하는 상시 발전이 이루어지게 된다.
이와 같은 발전모터(800)는 모터로서의 작동보다는 발전기로서의 작동을 주로 하게 되는 바, 메인모터(100)의 잉여에너지 또는 바퀴의 관성력(회전력)에 의해 회전자인 발전축(810)이 회전되면, 코일로 이루어진 고정자에서 유도 전류가 발생됨에 따라 운동에너지가 전기에너지로 전환된다.
그리고, 메인모터(100)는 전술한 발전모터(800)와 마찬가지로 그 내부에 고정자(코일)와 회전자(전자석이나, 본 발명에서는 "모터축(110)"으로 구비된다)가 구성된다.
이로써, 메인모터(100)의 고정자인 코일로 전원이 공급되어 전류가 흐르게 되면 고정자에서 형성되는 자기력에 의해 입력축(220)(230)이 연결된 회전자인 모터축(110)이 회전되어 전기에너지가 운동에너지로 전환되며, 반대로 모터축(110)이 외부의 힘 즉 바퀴의 회전력에 의해 회전되면 고정자에서 유도 전류가 발생되어 운동에너지가 전기에너지로 전환된다.
이로써, 메인모터(100)는 전원이 공급됨에 따라 입력축(220)(230)을 회전 구동시키는 모터의 고유한 기능뿐 아니라 바퀴의 관성력(회전력) 즉 운동에너지를 전기에너지로 전환시켜 전기를 생성하는 발전기의 기능도 갖게 된다.
한편, 변속 발전유닛은 메인모터(100)의 회전 속도 및 바퀴의 회전 속도를 저속 구간과 고속 구간으로 구분하고, 이에 따라 증속 발전 또는 감속 발전을 하여 전기에너지를 생성하도록 한 것으로, 본 발명에서는 변속 발전유닛이 전기차용 다단 변속장치에 구성된 것을 예시하여 설명한다.
이러한 변속 발전유닛은 도 1에 도시된 바와 같이, 발전모터(800)에 회전 가능한 발전축(810)이 구비되고, 발전축(810)에는 무부하 상태 즉 공회전이 가능한 상태로 각각 결합되어 출력축(720)에 서로 다른 기어비로서 각각 연결되는 복수의 발전기어(820)(830)가 구비되고, 발전축(810)에는 발전축(810)과 같이 회전되면서 축방향으로는 이동 가능하게 결합되어 복수의 발전기어(820)(830)를 발전축(810)에 선택적으로 연결시켜 변속 발전이 가능하게 하는 발전시프트유닛(840)이 구비된다.
특히, 발전축(810)에는 복수의 발전기어 즉 제1,2 발전기어(820)(830)가 각각 구비되고, 제1,2 발전기어(820)(830)는 각각 발전축(810)에 공회전 가능하게 결합되어 구비되므로, 제1,2 발전기어(820)(830)와 발전축(810)은 서로 간섭되지 않는 독립 회전이 가능하게 구비된다.
그리고, 출력축(720)에는 출력기어(730) 외에도 파킹브레이크기어(740)가 별도로 더 구비되고, 파킹브레이크기어(740)는 출력축(720)에 고정되게 설치되어 출력축(720)과 같이 회전되게 구비된다.
이로써, 발전축(810)의 제1,2 발전기어(820)(830)는 출력축(720)의 출력기어(730)와 파킹브레이크기어(740)에 각각 치합되어 연결된 상태로 구비된다.
게다가, 제1,2 발전기어(820)(830)는 서로 다른 기어비를 갖도록 구비되는 바, 제1 발전기어(820)는 출력기어(730)보다 큰 직경과 많은 기어이를 갖도록 형성되어 출력기어(730)와 감속비를 갖도록 연결되어 구비되고(제1 발전기어(820) ＞ 출력기어(730)), 제2 발전기어(830)는 파킹브레이크기어(740)보다 작은 직경과 적은 기어이를 갖도록 형성되어 파킹브레이크기어(740)와 증속비를 갖도록 연결되어 구비된다(제2 발전기어(830) ＜ 파킹브레이크기어(740)).
따라서, 전기차의 저속 구간에서는 발전시프트유닛(840)에 의해 제2 발전기어(830)와 파킹브레이크기어(740)가 동력전달 가능하게 연결되어 저속 구간에서의 발전효율을 극대화할 수 있고, 전기차의 고속 구간에서는 발전시프트유닛(840)에 의해 제1 발전기어(820)와 출력기어(730)가 동력전달 가능하게 연결되어 모터의 과부하를 방지하면서 발전효율을 높일 수 있게 된다.
한편, 상기와 같은 발전유닛에는 배터리팩이 다수개로 분할되어 구비된 배터리시스템이 연결되어 구성되고, 배터리시스템의 분할된 배터리팩(900)(910)(920)에는 메인모터(100) 및 발전유닛에서 생성된 전기에너지가 충전과 주행방전이 동시에 이루어질 수 있게 된다.
이러한 배터리시스템에는 도 1에 도시된 바와 같이, 다수로 분할된 배터리팩(900)(910)(920)과, 분할된 배터리팩(900)(910)(920)을 후술될 메인모터(100)와 발전모터(800)에 각각 연결하도록 구비되는 스위칭유닛(940)(950)과, 각 스위칭유닛(940)(950)에 메인모터(100)와 발전모터(800)를 각각 연결시키는 인버터(960)(970)가 구비되어, 분할된 배터리팩(900)(910)(920)에 회생 충전과 주행방전을 동시에 실행할 수 있도록 구성된다.
여기서, 분할된 배터리팩(900)(910)(920)은 개수에 제한없이 분할되어 구성될 수 있지만, 본 실시예에서는 제1 배터리팩(900), 제2 배터리팩(910), 제3 배터리팩(920)으로 분할된 3개의 배터리팩을 일례로 예시하여 설명한다.
그리고, 제1,2,3 배터리팩(900)(910)(920)에는 도 14에 도시된 바와 같이, 각 배터리팩을 구성하는 다수의 배터리(900a)(910a)(920a)가 나열되어 구비되는 바, 구체적으로는 다수의 배터리(900a)(910a)(920a)가 3열의 세로열과, 16열의 가로열로 직.병렬 연결된 것을 일례로 예시하여 설명하나, 그 외에도 다양한 소요 용량에 맞게 다양한 세로.가로열수의 직.병렬로 연결되어 있는 다수의 Sub-Pack으로 구분되어 구성할 수도 있으므로, 배터리 시스템의 오작동시 오작동을 일으킨 문제의 해당 배터리팩(900)(910)(920) 및 배터리(900a)(910a)(920a)만을 교체할 수 있게 되므로 배터리팩(900)(910)(920)의 유지 보수가 간편하게 이루어진다.
또한, 스위칭유닛은 제1 스위칭유닛(940)과 제2 스위칭유닛(950)으로 이루어진 2개의 스위칭유닛을 일례로 예시하였고, 제1,2 스위칭유닛(940)(950)에는 각각 3개의 스위치(940a)(940b)(940c)(950a)(950b)(950c)가 독립되게 설치되어 구성될 수 있다.
특히, 제1,2 스위칭유닛(940)(950)에 구성되는 각 스위치는 도 13에 도시된 바와 같이 제1 스위치(940a)(950a), 제2 스위치(940b)(950b), 제3 스위치(940c)(950c)로서, 분할된 각 배터리팩(900)(910)(920)에 일대일 대응되게 연결되어 구비된다.
즉, 각 스위칭유닛(940)(950)의 제1 스위치(940a)(950a)는 제1 배터리팩(900)에 연결되고, 제2 스위치(940b)(950b)는 제2 배터리팩(910)에 연결되며, 제3 스위치(940c)(950c)는 제3 배터리팩(920)에 연결되어 구비되고, 제1,2,3 배터리팩(900)(910)(920)은 각각 접지되어 구비된다.
그리고, 인버터는 제1 인버터(960)와 제2 인버터(970)로 이루어진 2개의 인버터를 일례로 예시하였고, 제1 인버터(960)는 메인모터(100)와 제1 스위칭유닛(940)을 연결하도록 구비되며, 제2 인버터(970)는 발전모터(800)와 제2 스위칭유닛(950)을 연결하도록 구비된다.
이러한 제1,2 인버터(960)(970)는 전력변환장치로서, 각 배터리팩(900)(910)(920)의 직류전력을 교류전력으로 변환하여 각 모터(100)(500)에 공급할 수 있고, 또는 각 모터(100)(500)에서 발생된 교류전력을 직류전력으로 변환하여 각 배터리팩(900)(910)(920)에 공급하여 저장할 수 있게 된다.
즉, 제1,2 인버터(960)(970)는 각각 메인모터(100)와 발전모터(800)에 복수의 케이블로 연결됨과 더불어 제1,2 스위칭유닛(940)(950)에는 단독 케이블로서 각각 연결되어 구비되고, 제1,2 스위칭유닛(940)(950)은 별도로 접지되어 구비된다.
한편, 상기와 같이 구성되는 분할된 배터리팩(900)(910)(920)은 제어시스템에 의해 충전과 방전이 제어되도록 구성된다.
이를 위해, 분할된 배터리팩(900)(910)(920)은 제1 배터리팩(900)으로부터 마지막 제3 배터리팩(920)까지 방향성을 갖도록 차례로 나열되어 연결되고, 제어시스템에 의한 분할된 배터리팩(900)(910)(920)은 도 15에 도시된 바와 같이, 제1 배터리팩(900)으로부터 제2 배터리팩(910), 제3 배터리팩(920) 순으로 차례로 사용되어 방전되고, 회생 충전은 제3 배터리팩(920)에서부터 제1 배터리팩(900), 제2 배터리팩(910) 순으로 차례로 충전되게 구비된다.
이와 같이 분할된 배터리팩(900)(910)(920)의 방전과 충전 사이의 순서에서 하나의 배터리팩을 텀(term)으로 즉 시간차를 두고 방전과 충전이 연속적으로 이루어지도록 함으로써, 방전과 충전을 동시에 실행할 수 있고, 운영 목적에 따라 분할된 배터리팩(900)(910)(920)을 연이어 순차적으로 단독 사용하거나 또는 병합하여 사용할 수 있게 된다.
이에 더하여, 분할된 배터리팩(900)(910)(920)의 최초 충전시 제3 배터리팩(920)은 50∼70％까지만 충전되도록 설계되어 구비될 수 있지만, 보다 바람직하게는 50％까지만 충전되도록 설계되어 구비될 수 있다. 이는 전기차의 특성상 반복적인 회생제동에 의한 발전(충전)이 상시 이루어지기 때문에, 충전시 제일 먼저 충전이 이루어지는 제3 배터리팩(920)에 충전의 여유 공간을 제공함으로써 상시 충전이 가능한 상태를 유지할 수 있도록 한 것이다.
또한, 상기와 같이 분할된 배터리팩(900)(910)(920)의 방전 및 충전을 제어하는 제어시스템은 도 16에 도시된 바와 같이, 변속장치를 제어하는 변속기 제어 유닛(Transmission Control Unit : TCU)과, 분할된 배터리팩(900)(910)(920)을 관리하는 배터리 관리 유닛(Battery Management System : BMS)과, 변속기 제어 유닛 및 배터리 관리 유닛을 제어하는 차량 제어 유닛(Vehicle Control Unit : VCU)을 포함한다.
상기와 같은 변속기 제어 유닛은 변속장치의 메인모터(100)와 발전모터(800)를 제어하고, 배터리 관리 유닛은 제1,2 스위칭유닛(940)(950) 제어 및 제1,2,3 배터리팩(900)(910)(920)의 주행방전 및 충전 순서를 제어하도록 구비된다.
그리고, 차량 제어 유닛은 가속 페달, 브레이크 페달, GPS, 경사도 센서, 토오크 센서, 차량 속도 센서 등의 입력값을 받아 변속기 제어 유닛을 통해 메인모터(100)와 발전모터(800)를 제어하고, 배터리 관리 유닛을 통해 제1,2,3 배터리팩(900)(910)(920)의 주행방전 및 충전을 제어하게 된다.
이상과 같은 본 발명에 따른 전기차용 동력시스템의 작동관계를 설명한다.
먼저, 전기차용 동력시스템에 구성된 변속장치의 각 변속 과정에 대해 설명한다.
전기차의 전진 1단 변속시는 도 3에 도시된 바와 같이, 메인모터(100)가 일방향 즉 전진 주행 방향으로 회전 구동됨과 더불어 제1 구동클러치(200)와 제2 브레이크클러치(410)가 작동된다.
그러면, 제1 구동클러치(200)와 연결된 제2 입력축(230)은 메인모터(100)와 동력이 연결된 상태로서 메인모터(100)의 동력을 전달받아 회전되고, 제1 입력축(220)은 메인모터(100)의 동력이 차단되어 정지된 상태를 유지하게 된다.
이로써, 메인모터(100)의 동력은 회전되는 제2 입력축(230)에 스플라인 결합되어 제2 입력축(230)과 같이 회전되는 제1 시프트유닛(340)이 작동수단에 의해 제1 입력기어(300) 측으로 축방향 이동됨에 따라 제1 입력기어(300)를 제2 입력축(230)에 결합시켜 동기화시키게 된다.
이에 따라, 제1 입력기어(300)는 제1 시프트유닛(340)에 의해 제2 입력축(230)과 같이 회전되고, 제1 입력기어(300)의 회전에 의해 이에 치합된 선기어축(510)의 제2 중간기어(530)가 연동 회전된다.
이때, 제2 중간기어(530)에 의해 선기어축(510)이 회전되고, 선기어축(510)의 회전에 의해 제1 중간기어(520)가 회전되면서 이에 치합된 제2 입력축(230)의 제2 입력기어(310)와 제2 브레이크축(430)의 제2 브레이크기어(450)를 회전시키게 되지만, 제2 입력기어(310)는 제2 입력축(230) 상에서 동력전달이 차단된 상태로 공회전되므로 제2 입력축(230)의 회전을 방해하지 않게 되고, 제2 브레이크기어(450)는 제2 브레이크축(430)과 같이 회전되지만 제2 브레이크축(430)의 회전을 단속하는 제1 브레이크클러치(400)가 제2 브레이크축(430)과의 연결이 차단된 상태이므로 제2 브레이크축(430)은 제1 브레이크클러치(400)와는 관계없이 자유롭게 공회전된다.
이와 더불어, 제2 브레이크클러치(410)의 작동에 의해 제2 브레이크클러치(410)와 연결된 제1 브레이크축(420)은 강제 고정되어 회전이 정지되고, 정지된 제1 브레이크축(420)의 제1 브레이크기어(440) 역시도 강제 고정되어 회전이 정지된 상태이므로 제1 브레이크기어(440)와 치합된 링기어축(610)의 제1 외경기어(620)가 고정됨에 따라 링기어축(610) 및 링기어(600)는 회전이 정지된 상태가 된다.
따라서, 회전되는 선기어축(510)에 의해 선기어(500)가 회전(자전)되고, 선기어(500)에 외접한 유성기어(700)는 선기어(500)의 회전력에 의해 선기어(500)와 반대 방향으로 회전(자전)되면서 선기어(500)의 외주를 따라 이동되는 공전이 이루어지게 됨으로써 유성기어(700)의 공전에 의해 캐리어(710)가 유성기어(700)의 공전과 같은 속도와 방향으로 회전(자전)되면서 출력축(720)을 회전시키게 된다.
이에, 출력축(720)에는 메인모터(100)의 동력이 전진 1단 변속 모드에 의한 제1 입력기어(300)와 제2 중간기어(530) 간의 감속비에 따라 감속 전달되어 출력축(720)이 저속 회전되고, 출력축(720)의 저속 회전에 의해 출력기어(730)가 회전되면서 차동장치를 구동시키게 되며, 차동장치에 의해 전기차는 전진 1단 변속 모드에 의한 저속 주행이 이루어지게 된다.
그리고, 전진 2단 변속시는 전진 1단 변속 모드에서 연속되는 가속단으로서, 도 4에 도시된 바와 같이, 메인모터(100)와, 제2 구동클러치(210), 제1 브레이크클러치(400)가 작동된다.
그러면, 제2 구동클러치(210)와 연결된 제1 입력축(220)은 메인모터(100)와 연결된 상태로서 메인모터(100)의 동력을 전달받아 전진 주행 방향으로 회전되고, 제2 입력축(230)은 동력이 차단되어 정지된 상태이다.
이로써, 메인모터(100)의 동력은 회전되는 제1 입력축(220)에 스플라인 결합되어 제1 입력축(220)과 같이 회전되는 제2 시프트유닛(350)이 작동수단에 의해 제4 입력기어(330) 측으로 축방향 이동됨에 따라 제4 입력기어(330)를 제1 입력축(220)에 결합시켜 동기화시키게 된다.
따라서, 제4 입력기어(330)는 제2 시프트유닛(350)에 의해 제1 입력축(220)과 같이 회전되고, 제4 입력기어(330)의 회전에 의해 이에 치합된 링기어축(610)의 제2 외경기어(630)가 연동되어 회전되며, 제2 외경기어(630)의 회전에 의해 링기어축(610)이 동시 회전된다.
이때, 링기어축(610)의 회전에 의해 제1 외경기어(620)도 회전되고, 제1 외경기어(620)에 치합된 제1 입력축(220)의 제3 입력기어(320)와 제1 브레이크축(420)의 제1 브레이크기어(440)도 회전되지만, 제3 입력기어(320)는 제1 입력축(220) 상에서 동력전달이 차단된 상태로 공회전되고, 제1 브레이크기어(440)는 제1 브레이크축(420)과 같이 회전되지만 제1 브레이크축(420)이 제2 브레이크클러치(410)와 연결이 차단된 상태이므로 제1 브레이크축(420)은 제2 브레이크클러치(410) 상에서 자유롭게 공회전된다.
이와 더불어, 제1 브레이크클러치(400)의 작동에 의해 제1 브레이크클러치(400)와 연결된 제2 브레이크축(430)은 강제 고정되어 회전이 정지되고, 정지된 제2 브레이크축(430)의 제2 브레이크기어(450) 역시도 회전이 정지된 상태이므로 제2 브레이크기어(450)와 치합된 선기어축(510)의 제1 중간기어(520)가 고정됨에 따라 선기어축(510) 및 선기어(500)는 회전이 정지된 상태가 된다.
따라서, 회전되는 링기어축(610)에 의해 링기어(600)가 회전(자전)되고, 링기어(600)에 내접한 유성기어(700)는 링기어(600)의 회전력에 의해 링기어(600)와 같은 방향으로 회전(자전)되면서 선기어(500)의 외주를 따라 이동되는 공전을 하게 됨으로써 유성기어(700)의 공전에 의해 캐리어(710)가 유성기어(700)의 공전과 같은 속도와 방향으로 회전(자전)되면서 출력축(720)을 회전시키게 된다.
이에, 출력축(720)에는 메인모터(100)의 동력이 전진 2단 변속 모드에 의한 제4 입력기어(330)와 제2 외경기어(630) 간의 감속비에 따라 감속 전달되어 출력축(720)이 저속 회전되고, 출력축(720)의 저속 회전에 의해 출력기어(730)가 회전되면서 차동장치를 구동시킴으로써 전기차는 전진 2단 변속 모드에 의해 전진 1단 변속 모드보단 빠른 저속 주행이 이루어지게 된다.
그리고, 전진 3단 변속시는 전진 2단 변속 모드에서 연속되는 가속단으로서, 도 5에 도시된 바와 같이, 메인모터(100)와 제1,2 구동클러치(200)(210)는 작동되고, 제1,2 브레이크클러치(400)(410)는 작동되지 않는다.
제1,2 구동클러치(200)(210)의 작동시는 제1,2 구동클러치(200)(210)에 연결된 제1,2 입력축(220)(230)이 각각 메인모터(100)와 연결된 상태로서 메인모터(100)의 동력을 각각 전달받아 전진 주행 방향으로 회전된다.
그러면, 메인모터(100)의 동력은 제1,2 구동클러치(200)(210)에 의해 제1,2 입력축(220)(230)으로 각각 동시에 전달됨에 따라 제1,2 입력축(220)(230)은 동일한 속도로 회전되고, 제1,2 입력축(220)(230)에 각각 스플라인 결합된 제1,2 시프트유닛(340)(350)은 각각 제1,2 입력축(220)(230)과 같이 회전되면서 작동수단에 의해 제1,4 입력기어(300)(330) 측으로 축방향 이동되어 제1,4 입력기어(300)(330)를 제1,2 입력축(220)(230)에 각각 결합시켜 동기화시키게 된다.
이때, 제2 시프트유닛(350)은 전진 2단 변속 모드의 상태를 동일하게 유지한 상태로서, 제1 시프트유닛(340)만이 별도로 작동될 수 있다.
이로써, 제1 입력기어(300)는 제2 입력축(230)과 같이 회전됨과 동시에 제4 입력기어(330)는 제1 입력축(220)과 같이 회전된다.
따라서, 제1 입력기어(300)의 회전에 의해 선기어축(510)의 제2 중간기어(530)가 회전되고, 제2 중간기어(530)의 회전에 의해 선기어축(510)이 동시 회전되며, 제4 입력기어(330)의 회전에 의해 링기어축(610)의 제2 외경기어(630)가 회전되며, 제2 외경기어(630)의 회전에 의해 링기어축(610)이 동시 회전된다.
이때, 선기어축(510)과 링기어축(610)의 회전에 의해 선기어축(510)의 제1 중간기어(520)와 링기어축(610)의 제1 외경기어(620)도 회전되지만, 제1 중간기어(520) 및 제1 외경기어(620)와 치합된 제1,2 브레이크기어(440)(450)가 제1,2 브레이크클러치(400)(410) 상에서 공회전되는 무부하 상태이므로 제1 중간기어(520) 및 제1 외경기어(620)의 회전은 선기어(500) 및 링기어(600)의 회전에 무부하 즉 전혀 영향을 끼치지 않게 된다.
따라서, 회전되는 선기어축(510)과 링기어축(610)에 의해 선기어(500)와 링기어(600)가 각각 회전(자전)되고, 선기어(500)와 링기어(600)에 외접 및 내접한 유성기어(700)는 선기어(500)와 링기어(600)가 같은 방향으로 회전됨에 따라 선기어(500)와 링기어(600) 사이에서 회전(자전)이 정지된 상태로 선기어(500)와 링기어(600)의 회전력에 의해 공전만 이루어지게 된다.
특히, 선기어(500)와 링기어(600) 사이에서 회전(자전)이 정지된 상태로 공전되는 유성기어(700)는 선기어(500)와 링기어(600)가 같은 방향으로 회전(자전)됨에 따라 유성기어(700)의 공전 속도는 가속되고, 유성기어(700)의 공전에 의해 캐리어(710)가 유성기어(700)의 공전과 같은 속도와 방향으로 회전(자전)되면서 출력축(720)을 회전시키게 된다.
이에, 출력축(720)에는 메인모터(100)의 동력이 전진 3단 변속 모드에 의한 제1 입력기어(300)와 제2 중간기어(530) 및 제4 입력기어(330)와 제2 외경기어(630) 간의 기어비의 합력에 따라 전달되어 출력축(720)이 중속 회전되고, 출력축(720)의 중속 회전에 의해 출력기어(730)가 회전되면서 차동장치를 구동시킴으로써 전기차는 전진 3단 변속 모드에 의해 전진 2단 변속 모드보단 빠른 중속 주행이 이루어지게 된다.
그리고, 전진 4단 변속시는 도 6에 도시된 바와 같이, 전진 1단 변속 모드와 유사한 동력전달 구조로서, 전진 3단 변속 모드에서 연속되는 가속단으로 이루어진다.
즉, 전진 4단 변속시에는 메인모터(100)와, 제1 구동클러치(200) 및 제2 브레이크클러치(410)가 작동되고, 제1 시프트유닛(340)은 제2 입력축(230) 상에서 회전되면서 제2 입력기어(310) 측으로 축방향 이동되어 제2 입력기어(310)를 제2 입력축(230)에 결합시켜 동기화시키며, 제2 입력기어(310)의 회전에 의해 이에 치합된 선기어축(510)의 제1 중간기어(520)는 연동 회전된다.
이후, 동력전달은 전진 1단 변속 모드와 동일하게 이루어져 선기어(500)가 회전(자전)되고, 선기어(500)의 회전력에 의해 선기어(500)에 외접한 유성기어(700)가 선기어와 반대 방향으로 회전(자전)되면서 선기어(500)의 외주를 따라 공전되며, 유성기어(700)의 공전에 의해 캐리어(710)가 유성기어(700)의 공전과 같은 속도와 방향으로 회전(자전)되면서 출력축(720)을 회전시키게 된다.
따라서, 출력축(720)에는 메인모터(100)의 동력이 전진 4단 변속 모드에 의한 제2 입력기어(310)와 제1 중간기어(520) 간의 감속비에 따라 감속 전달되어 출력축(720)이 중속 회전되고, 출력축(720)의 중속 회전에 의해 출력기어(730)가 회전되면서 차동장치를 구동시킴으로써 전기차는 전진 4단 변속 모드에 의해 전진 3단 변속 모드보단 빠른 중속 주행이 이루어지게 된다.
또한, 전진 5단 변속시는 도 7에 도시된 바와 같이, 전진 3단 변속 모드와 유사한 동력전달 구조로서, 전진 4단 변속 모드에서 연속되는 가속단으로 이루어진다.
즉, 전진 5단 변속시에는 메인모터(100)와 제1,2 구동클러치(200)(210)는 작동되고, 제1,2 브레이크클러치(400)(410)는 작동되지 않으며, 제1 시프트유닛(340)은 전진 3단 변속 모드에서와 같이 제2 입력기어(310)를 제2 입력축(230)에 결합시켜 동기화시킨 상태를 유지되고, 제2 시프트유닛(350)은 제1 입력축(220)과 같이 회전되면서 제4 입력기어(330) 측으로 축방향 이동되어 제4 입력기어(330)를 제1 입력축(220)에 결합시켜 동기화시키게 된다.
이와 더불어, 제2 입력기어(310)의 회전에 의해 이에 치합된 선기어축(510)의 제1 중간기어(520)가 연동 회전되고, 제4 입력기어(330)의 회전에 의해 이에 치합된 링기어축(610)의 제2 외경기어(630)가 연동 회전된다.
이후, 동력전달은 전진 3단 변속 모드와 동일하게 이루어져 선기어(500)와 링기어(600)가 동일한 방향으로 각각 회전(자전)되고, 선기어(500)와 링기어(600)에 외접 및 내접한 유성기어(700)는 선기어(500)와 링기어(600) 사이에서 회전(자전)이 정지된 상태로 선기어(500)와 링기어(600)의 회전력에 의해 공전만 이루어지게 된다.
이때, 선기어(500)와 링기어(600) 사이에서 공전되는 유성기어(700)는 제2 입력기어(310)와 제1 중간기어(520) 및 제4 입력기어(330)와 제2 외경기어(630) 간의 기어비에 의해 전진 4단 변속 모드보다는 빠른 속도로 공전되고, 유성기어(700)의 공전에 의해 캐리어(710)가 유성기어(700)의 공전과 같은 속도와 방향으로 회전(자전)되면서 출력축(720)을 회전시키게 된다.
이에, 출력축(720)에는 메인모터(100)의 동력이 전진 5단 변속 모드에 의한 제2 입력기어(310)와 제1 중간기어(520) 및 제4 입력기어(330)와 제2 외경기어(630) 간의 기어비의 합력에 따라 전달되어 출력축(720)이 중속 회전되고, 출력축(720)의 중속 회전에 의해 출력기어(730)가 회전되면서 차동장치를 구동시킴으로써 전기차는 전진 5단 변속 모드에 의해 전진 4단 변속 모드보단 빠른 중속 주행이 이루어지게 된다.
또한, 전진 6단 변속시는 도 8에 도시된 바와 같이, 전진 2단 변속 모드와 유사한 동력전달 구조로서, 전진 5단 변속 모드에서 연속되는 가속단으로 이루어진다.
즉, 전진 6단 변속시에는 메인모터(100)와, 제1 구동클러치(200) 및 제2 브레이크클러치(410)가 작동되고, 제2 시프트유닛(350)은 제1 입력축(220) 상에서 회전되면서 제3 입력기어(320) 측으로 축방향 이동되어 제3 입력기어(320)를 제1 입력축(220)에 결합시켜 동기화시키며, 제3 입력기어(320)의 회전에 의해 이에 치합된 링기어축(610)의 제1 외경기어(620)는 연동 회전된다.
이후, 동력전달은 전진 2단 변속 모드와 동일하게 이루어져 링기어(600)가 회전(자전)되고, 링기어(600)의 회전력에 의해 링기어(600)에 내접한 유성기어(700)는 링기어(600)와 같은 방향으로 회전(자전)되면서 선기어(500)의 외주를 따라 공전되며, 유성기어(700)의 공전에 의해 캐리어(710)가 유성기어의 공전과 같은 속도와 방향으로 회전(자전)되면서 출력축(720)을 회전시키게 된다.
따라서, 출력축(720)에는 메인모터(100)의 동력이 전진 6단 변속 모드에 의한 제3 입력기어(320)와 제1 외경기어(620) 간의 감속비에 따라 감속 전달되어 출력축(720)이 고속 회전되고, 출력축(720)의 고속 회전에 의해 출력기어(730)가 회전되면서 차동장치를 구동시킴으로써 전기차는 전진 6단 변속 모드에 의해 전진 5단 변속 모드보단 빠른 고속 주행이 이루어지게 된다.
또한, 전진 7단 변속시는 도 9에 도시된 바와 같이, 전진 1단 변속 모드와 전진 6단 변속 모드가 합쳐진 전진 3단 변속 모드와 유사한 동력전달 구조로서, 전진 6단 변속 모드에서 연속되는 가속단으로 이루어진다.
즉, 전진 7단 변속시에는 메인모터(100)와 제1,2 구동클러치(200)(210)는 작동되고, 제1,2 브레이크클러치(400)(410)는 작동되지 않으며, 제1 시프트유닛(340)은 제2 입력축(230)과 같이 회전되면서 제1 입력기어(300) 측으로 축방향 이동되어 제1 입력기어(300)를 제2 입력축(230)에 결합시켜 동기화시키고, 제2 시프트유닛(350)은 전진 6단 변속 모드에서와 같이 제3 입력기어(320)를 제1 입력축(220)에 결합시켜 동기화시킨 상태를 유지하게 된다.
이와 더불어, 제1 입력기어(300)의 회전에 의해 이에 치합된 선기어축(510)의 제2 중간기어(530)가 연동 회전되고, 제3 입력기어(320)의 회전에 의해 이에 치합된 링기어축(610)의 제1 외경기어(620)가 연동 회전된다.
이후, 제2 중간기어(530)와 제1 외경기어(620)의 회전에 의해 선기어(500)와 링기어(600)가 동일한 방향으로 각각 회전(자전)되고, 선기어(500)와 링기어(600)에 외접 및 내접한 유성기어(700)는 선기어(500)와 링기어(600) 사이에서 회전(자전)이 정지된 상태로 선기어(500)와 링기어(600)의 회전력에 의해 공전만 이루어지게 된다.
이때, 선기어(500)와 링기어(600) 사이에서 공전되는 유성기어(700)는 제1 입력기어(300)와 제2 중간기어(530) 및 제3 입력기어(320)와 제1 외경기어(620) 간의 기어비에 의해 전진 6단 변속 모드보다는 빠른 속도로 공전되고, 유성기어(700)의 공전에 의해 캐리어(710)가 유성기어(700)의 공전과 같은 속도와 방향으로 회전(자전)되면서 출력축(720)을 회전시키게 된다.
이에, 출력축(720)에는 메인모터(100)의 동력이 전진 7단 변속 모드에 의한 제1 입력기어(300)와 제2 중간기어(530) 및 제3 입력기어(320)와 제1 외경기어(620) 간의 기어비의 합력에 따라 전달되어 출력축(720)이 고속 회전되고, 출력축(720)의 고속 회전에 의해 출력기어(730)가 회전되면서 차동장치를 구동시킴으로써 전기차는 전진 7단 변속 모드에 의해 전진 6단 변속 모드보단 빠른 고속 주행이 이루어지게 된다.
또한, 전진 8단 변속시는 도 10에 도시된 바와 같이, 전진 7단 변속 모드와 유사한 동력전달 구조로서, 전진 7단 변속 모드에서 연속되는 가속단으로 이루어진다.
즉, 전진 8단 변속시에는 메인모터(100)와 제1,2 구동클러치(200)(210)는 작동되고, 제1,2 브레이크클러치(400)(410)는 작동되지 않으며, 제1 시프트유닛(340)은 제2 입력기어(310) 측으로 축방향 이동되어 제2 입력기어(310)를 제2 입력축(230)에 결합시켜 동기화시키고, 제2 시프트유닛(350)은 전진 7단 변속 모드에서와 같이 제3 입력기어(320)를 제1 입력축(220)에 결합시켜 동기화시킨 상태를 유지하게 된다.
이와 더불어, 제2 입력기어(310)의 회전에 의해 이에 치합된 선기어축(510)의 제1 중간기어(520)가 연동 회전되고, 제3 입력기어(320)의 회전에 의해 이에 치합된 링기어축(610)의 제1 외경기어(620)가 연동 회전된다.
이후, 제1 중간기어(520)와 제1 외경기어(620)의 회전에 의해 선기어(500)와 링기어(600)가 동일한 방향으로 각각 회전(자전)되고, 선기어(500)와 링기어(600)에 외접 및 내접한 유성기어(700)는 선기어(500)와 링기어(600) 사이에서 회전(자전)이 정지된 상태로 선기어(500)와 링기어(600)의 회전력에 의해 공전만 이루어지게 된다.
이때, 선기어(500)와 링기어(600) 사이에서 공전되는 유성기어(700)는 제2 입력기어(310)와 제1 중간기어(520) 및 제3 입력기어(320)와 제1 외경기어(620) 간의 기어비에 의해 전진 7단 변속 모드보다는 빠른 속도로 공전되고, 유성기어(700)의 공전에 의해 캐리어(710)가 유성기어(700)의 공전과 같은 속도와 방향으로 회전(자전)되면서 출력축(720)을 회전시키게 된다.
이에, 출력축(720)에는 메인모터(100)의 동력이 전진 8단 변속 모드에 의한 제2 입력기어(310)와 제1 중간기어(520) 및 제3 입력기어(320)와 제1 외경기어(620) 간의 기어비의 합력에 따라 전달되어 출력축(720)이 고속 회전되고, 출력축(720)의 고속 회전에 의해 출력기어(730)가 회전되면서 차동장치를 구동시킴으로써 전기차는 전진 8단 변속 모드에 의해 전진 7단 변속 모드보단 빠른 고속 주행이 이루어지게 된다.
그리고, 전기차용 동력시스템에 구성된 발전유닛의 발전과정에 대해 설명한다.
메인모터(100)의 작동에 의한 전기차 주행시는 도 11a 및 도 11b에서 화살표로 도시된 바와 같이, 메인모터(100)의 동력이 모터축(110) -> 제1,2 구동클러치(200)(210) -> 제1,2 입력축(220)(230) -> 제1 내지 제4 입력기어(300)(310)(320)(330) -> 제1,2 중간기어(520)(530) 또는 제1,2 외경기어(620)(630) -> 선기어축(510) 또는 링기어축(610) -> 캐리어(710) -> 출력축(720) -> 출력기어(730) -> 차동장치를 통해 바퀴로 전달되어 전기차의 주행이 이루어지게 된다.
이때, 메인모터(100)의 동력은 대부분 전기차의 주행에 필요한 동력으로 사용되지만, 전기차의 주행 후에는 바퀴의 관성력에 의해 메인모터(100)의 동력은 바퀴를 회전시키고도 남는 잉여에너지를 가지게 된다.
이와 같은 메인모터(100)의 잉여에너지는 기존에는 바퀴를 회전시키는 회전력으로 작용되어 그대로 방전되었으나, 본 발명에서는 출력축(720)의 회전에 의해 출력기어(730) 및 파킹브레이크기어(740)와 각각 치합된 제1,2 발전기어(820)(830)를 회전시키고, 제1,2 발전기어(820)(830)의 회전에 의해 발전축(810)이 회전됨에 따라 발전모터(800)에서는 메인모터(100)의 잉여에너지를 전기에너지로 전환하게 됨으로써 기존에 버려지던 메인모터(100)의 잉여에너지를 전기에너지로 생성할 수 있게 된다.
이를 주행 중인 전기차의 속도 구간에 따라 좀 더 구체적으로 설명하면, 전기차의 주행 속도가 저속 구간인 경우는 도 11a에서와 같이, 발전시프트유닛(840)이 발전축(810) 상에서 제2 발전기어(830) 측으로 이동되어 제2 발전기어(830)와 발전축(810)을 동력전달이 가능한 상태로 연결함으로써 제2 발전기어(830)는 발전축(810)과 같이 동기화된다.
그리고, 제2 발전기어(830)는 출력축(720)과 같이 회전되는 파킹브레이크기어(740)의 회전에 의해 동기되어 회전되고, 이러한 제2 발전기어(830)와 파킹브레이크기어(740)는 증속비를 갖도록 연결돼 있으므로 증속 회전되어 발전축(810)의 회전 rpm을 증가(상승)시키게 된다.
이로써, 전기차의 저속 주행에도 불구하고 발전축(810)의 회전 rpm이 증가됨에 따라 발전모터(800)에서의 발전효율은 극대화되어 발전효율이 향상된다.
물론, 상기와 같이 제2 발전기어(830)와 파킹브레이크기어(740)가 동기되어 회전될 때, 제1 발전기어(820)와 출력기어(730)도 동기되어 회전되지만, 이때 제1 발전기어(820)는 발전축(810)에 무부하 상태로 연결돼 있으므로 발전축(810)에서 공회전된다.
그리고, 전기차의 주행 속도가 고속 구간에 도달되면, 발전시프트유닛(840)이 발전축(810) 상에서 제1 발전기어(820) 측으로 이동되어 제1 발전기어(820)와 발전축(810)을 동력전달이 가능한 상태로 연결함으로써 제1 발전기어(820)는 발전축(810)과 같이 동기화된다.
이와 같은 제1 발전기어(820)는 출력축(720)과 같이 회전되는 출력기어(730)의 회전에 의해 동기되어 회전되고, 제1 발전기어(820)는 출력기어(730)와 감속비를 갖도록 연결돼 있으므로 감속 회전되어 발전축(810)의 회전 rpm을 낮추게(감속하게) 된다.
이로써, 전기차의 고속 주행시 발전축(810)의 회전 rpm을 감속시킴에 따라 발전모터(800)의 과부하를 방지하면서 발전효율을 높일 수 있게 된다.
이 경우에도 제1 발전기어(820)와 출력기어(730)가 동기되어 회전될 때, 제2 발전기어(830)와 파킹브레이크기어(740)도 동기되어 회전되나, 제2 발전기어(830)는 발전축(810)에 무부하 상태로 연결돼 있으므로 발전축(810)에서 공회전된다.
따라서, 메인모터(100)의 작동시 회전되는 출력기어(730)에 의해 차동장치와 제1,2 발전기어(820)(830)가 선택적으로 연결되어 회전 구동됨으로써 바퀴를 회전시키고 남는 메인모터(100)의 잉여에너지를 방전시키지 않고 속도 구간에 따라 발전모터(800)로 변속 즉 증속 또는 감속 전달하여 전기에너지로 생성할 수 있게 된다.
한편, 전기차의 주행 후 메인모터(100)는 작동하지 않고 바퀴의 회전력만 작용하는 상태에서도 도 12a 및 도 12b에서 화살표로 도시된 바와 같이, 바퀴의 회전력 즉 관성력을 전술한 메인모터(100)의 작동시와 마찬가지로 저속 및 고속의 속도 변화에 따라 발전모터(800)로 선택적으로 변속하여 전달함으로써 발전효율을 향상시킬 수 있고, 이와 동시에 메인모터(100)에서는 전술한 메인모터(100)의 작동시와 마찬가지로 회생제동이 이루어지게 된다.
그리고, 전기차용 동력시스템에 구성된 배터리시스템의 작동관계에 대해 설명한다.
전기차의 주행시 전기에너지의 소모 즉 주행 방전은 도 11a 및 도 11b에서 굵은 선으로 도시된 바와 같이, 제1 배터리팩(900) -> 제2 배터리팩(910) -> 제3 배터리팩(920) 순으로 사용되어 방전되고, 각 배터리팩(900)(910)(920)의 전기에너지는 이에 연결된 제1 스위칭유닛(940)의 해당 스위치(940a)(940b)(940c)를 통해 출력되며, 출력되는 배터리팩(900)(910)(920)의 전기에너지는 제1 인버터(960)를 지나면서 고전압 직류에서 교류로 변환되어 메인모터(100)에 전력(전원)으로 공급된다.
그리고, 전기차의 초기 주행에 필요한 동력을 제공하고 남은 메인모터(100)의 잉여에너지는 전술한 발전유닛의 발전모터(800)에서 상시 발전되어 전기에너지로 생성되고, 발전모터(800)에서 생성된 전기에너지는 제2 인버터(970)를 지나면서 교류에서 고전압 직류 상태로 변환되어 공급되고, 제2 스위칭유닛(950)의 각 스위치(950a)(950b)(950c)를 통해 해당 배터리팩(900)(910)(920)으로 공급되어 충전된다. 이때, 배터리팩(900)(910)(920)의 충전은 제3 배터리팩(920) -> 제1 배터리팩(900) -> 제2 배터리팩(910) 순으로 차례로 저장되어 충전된다.
이때, 배터리팩(900)(910)(920)의 이상적인 최초 충전상태는 주행 중 제일 먼저 회생 충전이 되는 제3 배터리팩(920)은 50∼70％까지만 최초 충전되고, 제1,2 배터리팩(900)(910)은 100％ 최초 만충상태에서 주행을 시작하는 것이며, 주행 중 방전은 제1,2 배터리팩(900)(910)이 순차적으로 방전된 후, 충전 모드로 변경되어 다시 회생 충전이 진행되고, 제3 배터리펙(920)은 주행 중 회생 충전으로 만충이 되면, 방전모드로 변경되어 순차적으로 방전을 한다. 이때 배터리팩(900)(910)(920)의 방전순서는 제1 배터리팩(900) → 제2 배터리팩(910) → 제3 배터리팩(920) → 제1 배터리팩(900) 순으로 차례로 방전된다.
따라서, 메인모터(100)의 작동시에는 회전되는 출력기어(730)에 의해 차동장치(750)와 발전기어(820)(830)가 동시에 회전 구동됨으로써 바퀴를 회전시키고 남는 메인모터(100)의 잉여에너지는 모두 전기에너지로 생성되는 상시 발전에 의해 충전된다.
또한, 전기차의 주행 중 메인모터(100)에 전원이 공급되지 않는 상태 즉 전기차가 내리막길을 주행하거나 또는 감속이나 제동시에는 바퀴의 관성력(차량의 관성에너지)만이 존재하게 된다.
그러면, 바퀴의 관성력에 의해 도 12a 및 도 12b에서 화살표로 도시된 바와 같이, 출력기어(730), 출력축(720), 입력기어(300)(310)(320)(330), 입력축(220)(230)이 회전됨에 따라 전원이 차단되어 구동하지 않는 메인모터(100)에서는 바퀴의 관성력을 전기에너지로 전환시키는 회생제동이 이루어지고, 이와 동시에 출력기어(730)에 의해 발전기어(820)(830)와 발전축(810)이 회전됨에 따라 발전모터(800)에서도 바퀴의 관성력을 전기에너지로 전환시켜 전술한 충전 순서대로 각 배터리팩(900)(910)(920)에 저장되어 충전되므로 발전효율 및 에너지효율을 향상시킬 수 있게 된다.
한편, 상기와 같은 전기차의 주행 속도가 저속 구간인 경우는 도 11a에서와 같이, 발전시프트유닛(840)이 발전축(810) 상에서 제2 발전기어(830) 측으로 이동되어 제2 발전기어(830)와 발전축(810)을 동력전달이 가능한 상태로 연결함으로써 제2 발전기어(830)는 발전축(810)과 같이 동기화된다.
그리고, 제2 발전기어(830)는 출력축(720)과 같이 회전되는 파킹브레이크기어(740)의 회전에 의해 동기되어 회전되고, 이러한 제2 발전기어(830)와 파킹브레이크기어(740)는 증속비를 갖도록 연결돼 있으므로 증속 회전되어 발전축(810)의 회전 rpm을 증가(상승)시키게 된다.
이로써, 전기차의 저속 주행에도 불구하고 발전축(810)의 회전 rpm이 증가됨에 따라 전술한 바와 같이 상시 발전되는 발전모터(800)에서의 발전효율은 극대화되어 발전효율이 향상된다.
물론, 상기와 같이 제2 발전기어(830)와 파킹브레이크기어(740)가 동기되어 회전될 때, 제1 발전기어(820)와 출력기어(730)도 동기되어 회전되지만, 이때 제1 발전기어(820)는 발전축(810)에 무부하 상태로 연결돼 있으므로 발전축(810)에서 공회전된다.
그리고, 전기차의 주행 속도가 고속 구간에 도달되면, 발전시프트유닛(840)이 발전축(810) 상에서 제1 발전기어(820) 측으로 이동되어 제1 발전기어(820)와 발전축(810)을 동력전달이 가능한 상태로 연결함으로써 제1 발전기어(820)는 발전축(810)과 같이 동기화된다.
이와 같은 제1 발전기어(820)는 출력축(720)과 같이 회전되는 출력기어(730)의 회전에 의해 동기되어 회전되고, 이러한 제1 발전기어(820)와 출력기어(730)는 감속비를 갖도록 연결돼 있으므로 감속 회전되어 발전축(810)의 회전 rpm을 낮추게(감속하게) 된다.
이로써, 전기차의 고속 주행시 발전축(810)의 회전 rpm을 감속시킴에 따라 상시 발전되는 발전모터(800)의 과부하를 방지하면서 발전효율을 높일 수 있게 된다.
이 경우에도 제1 발전기어(820)와 출력기어(730)가 동기되어 회전될 때, 제2 발전기어(830)와 파킹브레이크기어(740)도 동기되어 회전되나, 제2 발전기어(830)는 발전축(810)에 무부하 상태로 연결돼 있으므로 발전축(810)에서 공회전된다.
따라서, 메인모터(100)의 작동시 회전되는 출력기어(730)에 의해 차동장치(750)와 제1,2 발전기어(820)(830)가 선택적으로 연결되어 회전 구동됨으로써 바퀴를 회전시키고 남는 메인모터(100)의 잉여에너지를 방전시키지 않고 속도 구간에 따라 발전모터(800)로 변속 즉 증속 또는 감속 전달하여 전기에너지로 생성할 수 있게 된다.
한편, 전기차의 주행 후 메인모터(100)는 작동하지 않고 바퀴의 회전력만 작용하는 상태에서도 도 12a 및 도 12b에서 화살표로 도시된 바와 같이, 바퀴의 회전력 즉 관성력을 전술한 메인모터(100)의 작동시와 마찬가지로 저속 및 고속의 속도 변화에 따라 발전모터(800)로 선택적으로 변속하여 전달함으로써 발전효율을 향상시킬 수 있고, 이와 동시에 메인모터(100)에서는 전술한 바와 같이 회생제동이 이루어지게 된다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 범주에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 명확해질 것이다.
100 : 메인모터 110 : 모터축
200,210 : 제1,2 구동클러치 220,230 : 제1,2 입력축
300,∼,330 : 제1 내지 제4 입력기어 340,350 : 제1,2 시프트유닛
400,410 : 제1,2 브레이크클러치 420,430 : 제1,2 브레이크축
440,450 : 제1,2 브레이크기어 500 : 선기어
510 : 선기어축 520,530 : 제1,2 중간기어
600 : 링기어 610 : 링기어축
620,630 : 제1,2 외경기어 700 : 유성기어
710 : 캐리어 720 : 출력축
730 : 출력기어 740 : 파킹브레이크기어
750 : 차동장치 800 : 발전모터
810 : 발전축 820,830 : 제1,2 발전기어
840 : 발전시프트유닛 900,910,920 : 배터리팩
910a,920a,930a : 배터리 940,950 : 스위칭유닛
960,970 : 인버터

Claims (17)

  1. 회생제동이 가능한 메인모터와, 메인모터에 의해 회전 구동되는 입력축과, 입력축과 연결되어 메인모터의 동력을 전달받아 출력하는 출력축을 포함하는 전기차용 동력시스템으로서,
    입력축에는 복수개 이상의 입력기어가 구비되고,
    입력축과 출력축 사이에는 입력축의 입력기어와 각각 연결되어 입력축의 동력을 출력축으로 다단 변속하여 전달하기 위한 선기어축을 갖는 선기어와, 링기어축을 갖는 링기어, 유성기어를 포함하는 복합 유성기어 유닛이 구비되며,
    복합 유성기어 유닛의 기어들에 연결되어 복합 유성기어 유닛을 통해 출력축으로 출력되는 동력을 선택적으로 단속하는 브레이크클러치 유닛이 구비되고,
    출력축에 연결되어 연동 회전되면서 차량의 제동시 회생제동은 물론 주행시엔 상시 발전이 가능한 발전유닛이 구비되며,
    메인모터 및 발전유닛에서 생성된 전기에너지를 배터리팩에 회생 충전과 주행방전을 동시에 실행할 수 있는 배터리시스템을 포함하고,
    브레이크클러치 유닛은,
    복합 유성기어 유닛의 선기어축 및 링기어축에 각각 결합되어 선기어 및 링기어의 회전을 제어하는 제1,2 브레이크기어;
    제1,2 브레이크기어가 각각 구비되는 한편 서로 다른 직경을 가진 채로 같은 중심에서 각기 회전되는 동심원을 갖는 이중관 구조의 제1,2 브레이크축;
    제1,2 브레이크축 중심의 동축 상에서 제1,2 브레이크축에 각각 구비되어 제1,2 브레이크축과의 연결을 각각 단속하는 이중 클러치 구조의 제1,2 브레이크클러치;를 포함하여,
    복합 유성기어 유닛을 통해 출력축으로 출력되는 동력을 단속하도록 구비되는 전기차용 동력시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    선기어의 중심에서 돌출되는 선기어축에는 입력축의 일측 입력기어와 브레이크클러치 유닛에 연결되어 동력을 전달하는 적어도 하나 이상의 중간기어가 구비되며,
    선기어를 감싸는 링기어의 중심에서 돌출되는 링기어축에는 입력축의 타측 입력기어와 브레이크클러치 유닛에 연결되어 동력을 전달하는 적어도 하나 이상의 외경기어가 구비되며,
    링기어와 선기어를 연결하는 다수의 유성기어에는 다수의 유성기어를 연결하는 캐리어가 구비되고, 캐리어의 중심에는 출력축이 돌출되게 구비되는 전기차용 동력시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    선기어축의 중간기어와 이에 대응한 입력축의 일측 입력기어가 복수개 이상으로 구비될 시에는 중간기어가 해당 일측 입력기어에 서로 다른 기어비로서 선택적으로 연결되게 구비되는 전기차용 동력시스템.
  4. 청구항 2에 있어서,
    링기어축의 외경기어와 이에 대응한 입력축의 타측 입력기어가 복수개 이상으로 구비될 시에는 외경기어가 해당 타측 입력기어에 서로 다른 기어비로서 선택적으로 연결되게 구비되는 전기차용 동력시스템.
  5. 청구항 2에 있어서,
    캐리어의 출력축에는 출력축과 같이 회전되는 출력기어와, 출력축의 회전을 정지시키기 위한 파킹브레이크기어가 구비되는 전기차용 동력시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    입력축은 서로 다른 직경을 가진 채로 각기 회전되는 이중관 구조의 제1,2 입력축으로 구비되고,
    제1 입력축에는 타측 입력기어가, 제2 입력축에는 일측 입력기어가 각각 해당 입력축과 상대 회전이 가능하게 결합되어 구비되며,
    제1,2 입력축에는 해당 입력축과 같이 회전되면서 해당 입력축에서 축방향으로 이동 가능하게 결합되어 각 입력기어를 해당 입력축에 연결시켜 동력을 전달시키는 시프트유닛이 구비되는 전기차용 동력시스템.
  7. 청구항 2에 있어서,
    입력축은 서로 다른 직경을 가진 채로 각기 회전되는 이중관 구조의 제1,2 입력축으로 구비되고,
    제1 입력축에는 타측 입력기어가, 제2 입력축에는 일측 입력기어가 각각 해당 입력축과 같이 회전되게 결합되어 구비되며,
    선기어축과 링기어축에는 각각의 해당 축과 같이 회전되면서 해당 축에서 축방향으로 이동 가능하게 결합되어 중간기어 또는 외경기어를 각각 선기어축 또는 링기어축에 연결시켜 동력을 전달시키는 시프트유닛이 구비되는 전기차용 동력시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    선기어축에는 중간기어가 선기어축과 상대 회전이 가능하게 결합되어 구비되는 한편 선기어축과 같이 회전되게 결합되는 선기어축용 브레이크기어가 더 구비되고,
    링기어축에는 외경기어가 링기어축과 상대 회전이 가능하게 결합되어 구비되는 한편 링기어축과 같이 회전되게 결합되는 링기어축용 브레이크기어가 더 구비되며,
    선기어축용 브레이크기어와 링기어축용 브레이크기어에는 브레이크클러치 유닛이 선택적으로 연결되어 동력전달을 단속하도록 구비되는 전기차용 동력시스템.
  9. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
    제1,2 입력축과 메인모터 사이에는 메인모터와 제1,2 입력축 간의 연결을 각각 단속하여 메인모터의 동력을 제1,2 입력축으로 선택적으로 전달하는 제1,2 구동클러치가 구비되는 전기차용 동력시스템.
  10. 삭제
  11. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    발전유닛은 출력축에 연결되어 연동 회전되는 발전축과, 발전축의 회전에 의해 발전이 이루어지는 발전모터를 포함하는 전기차용 동력시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    발전축에는 공회전 가능한 상태로 결합되어 출력축에 서로 다른 기어비로서 각각 연결되는 복수의 발전기어가 구비되고,
    발전축에는 발전축과 같이 회전되면서 축방향으로는 이동 가능하게 결합되어 복수의 발전기어를 발전축에 선택적으로 연결시켜 변속 발전이 가능하게 하는 발전시프트유닛이 구비되는 전기차용 동력시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    복수의 발전기어 중 일측 발전기어는 출력축과 감속비를 갖도록 구비되고, 타측 발전기어는 출력축과 증속비를 갖도록 구비되는 전기차용 동력시스템.
  14. 청구항 1에 있어서,
    배터리시스템에는 배터리팩이 분할되어 구비되고,
    각 배터리팩에는 스위칭유닛이 각각 연결되어 구비되며,
    독립된 각 스위칭유닛에는 각각 메인모터와 발전유닛을 연결하는 인버터가 구비되어,
    분할된 배터리팩에 충전과 방전을 동시에 실행할 수 있는 전기차용 동력시스템.
  15. 청구항 14에 있어서,
    스위칭유닛은 제1,2 스위칭유닛으로 구비되고, 제1,2 스위칭유닛에는 분할된 배터리팩에 대응되는 다수의 스위치가 구비되며, 각 스위치는 각 배터리팩에 일대일 대응되게 연결되어 구비되는 전기차용 동력시스템.
  16. 청구항 14 있어서,
    분할된 배터리팩은 방향성을 갖도록 나열되게 구비되어, 첫번째 배터리팩부터 마지막 배터리팩 순으로 차례로 사용되어 방전되고, 충전은 마지막 배터리팩에서부터 첫번째 배터리팩 순으로 차례로 충전되게 구비되는 전기차용 동력시스템.
  17. 청구항 16에 있어서,
    분할된 배터리팩의 최초 충전시 마지막 배터리팩은 주행 시작과 함께 곧바로 충전을 받아들일 수 있는 충전 여유 스페이스를 확보하기 위해서 만충을 하지 않고 50∼70％까지만 충전되도록 구비되는 전기차용 동력시스템.
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