자동차 동력장치 document_id A220623108717

확실하지 못한 통계에 의하면, 세계 8억 대 이상의 각종 자동차는 해마다 10억 여톤 이상의 석유를 소모하고 있으며 또한 해마다 증가하며 배출되는 온실 기체 CO2와 각종 유독물질은 날로 엄중히 환경을 오염시키고 파괴하고 있다고 한다. 동시에 세계 석유자원도 인류가 몇십년 사용할 정도로 밖에 존재되고 있는 상황이다. 그러므로 자동차가 유인하는 오염과 에너지 결핍으로 인하여, 자동차의 에너지 절약 문제는 세계의 높은 주목과 관심을 불러 일으키고 있다. 미국 에너지연관부서의 통계자료에 의하면, 자동차 기름 탱크에서 휘발유의 에너지는 15％만이 자동차를 구동하여 전진하거나 에어컨 등 유용한 부속품을 구동하는데 사용되며 나머지 에너지는 모두 낭비 된다고 한다. 자동차의 부하와 에너지 소모는 아래와 같은점에서 발생된다. 첫째, 차바퀴와 지면 사이의 구름마찰력(rolling friction)을 극복한다. 마찰력은 자동차 총 중량과 구름마찰계수와 정비례되며 필요한 일률은 자동차의 속도가 증가함에 따라 다소 증가된다. 둘째, 자동차 운동의 공기 저항력을 극복한다. 공기 저항력은 속도의 제곱과 정비례되며 필요한 일률은 속도의 세제곱이다. 셋째, 자동차의 시동, 가속, 등반(climb)에 사용되어 자동차의 운동 에너지(kinetic energy) 또는 위치 에너지(potential energy)의 향상에 필요한 동력을 제공한다. 이 부분의 운동 에너지와 위치 에너지는 제동과정에서 마찰열로 전환된다. 도시 도로의 상황에서 자동차가 저속, 낮은 부하와 주차 상태에서의 에너지 소모량은 17.2%, 발전기와 에어컨 압축기 등의 에너지 소모량은 2.2%, 자동차의 동력전달에서 손실되는 에너지 소모량은 5.6%, 제동에 사용되는 에너지 소모량은 5.8%, 구름마찰과 공기동력학적 저항력(aerodynamic drag)에 손실되는 에너지 소모량은 6.8%이다. 휘발유의 열량은 12.6％만 자동차의 주행에 소모된다. 만약 23%의 자동차의 저속, 낮은 부하, 주차 상태에서의 에너지 소모량과 제동에 사용되는 에너지 소모량을 절반 줄이면 50% 기름을 절약할 수 있다. 이로써 알다싶이, 선진적 기술로 에너지 절약을 달성하는데 매우 큰 잠재력이 있다. 자동차의 동력은 주로 내연기관이며, 특히 휘발유기관의 동력 특징은 회전속도가 600 - 6000rpm이다. 토크(torque)는 회전속도에 비해 약간 철형(convex)의 일정한 토크 특징이 있으며 조절판(throttle)의 열린정도에 따라 유사한 선형 정비례로 증가된다. 내연기관의 만능 특성을 보면, 엔진은 일정한 회전속도의 범위와 부하에서만 비교적 높은 효율을 발생한다. 저속, 낮은 부하의 상태에서 효율은 대폭 줄어든다. 그중에서 휘발유기관과 디젤기관의 특성은 다소 다르다. 디젤기관의 높은 효율 구간은 상대적으로 넓다. 정격 작동상태에서 엔진 자체의 평균 유효 효율(effective efficiency)은 37.6%(218g/kwh)에 불과하다. 도시 교통도로 상태에서 엔진은 대부분 시간에 낮은 부하상태로 작동하며, 엔진 정격부하의 10 - 30％ 정도에서 엔진의 평균 효율은 16 - 18％(480g/kwh)에 불과하다. 자동차의 에너지 절약과 배출량의 감소방법은 주로 높은 압축비의 디젤 엔진 기술 등 엔진 자체의 열효율을 높이는 방법, 차량 중량을 줄이고 공기 저항력과 구름 저항력을 줄여 저항력으로 인한 에너지 소모를 줄이는 방법, 전기기술, 수소연료 전지기술, 메탄올연료 등 신형 동력과 신형 에너지를 사용하는 방법, 고효율 변속기, 무단 변속, 혼합동력, 제동 운동에너지의 회수 등 전동방식을 변경시켜 자동차의 에너지 이용효율을 높이는 방법을 포함한다. 그러나 현재 사용하고 있는 수억 대 자동차는 지금까지도 매우 좋은 에너지 절약의 해결방안을 찾지 못하고 있다. 본 발명은 주로 전동방식의 변화를 통해 자동차의 에너지 이용 효율을 높이며 전기기술을 채택하여 자동차의 에너지를 절약하고 배출량을 줄이는 목적을 달성한다. 자동차 동력 시스템에서 변속기는 엔진 다음으로의 역할을 한다. 자동차 변속기는 작동과 변속방식에 따라 일반적으로 유단 수동/자동 변속기와 무단 변속기로 나눈다. 수동 유단 변속기의 효율은 매우 높지만 내연기관과의 배합은 최적화되기 어려워 자동차의 전체 효율이 높지 않고 빈번한 변속의 부하 부담이 크다. 기계식 자동변속기술(AMT)로 수동 작동을 대체할 경우에 시스템의 지능형 컨트롤에 대한 요구가 높다. 자동 변속기(AT)는 유압 토크 변환기(hydraulic torque converter)와 유성기어열(planetary gear train)로 구성되어 엔진의 효율을 높였다. 그러나 자체 효율이 비교적 낮으며 제어 시스템이 복잡하며 제조 난이도가 높다. 무단 변속기는 사람들이 추구하는 이상적인 변속기이다. 마찰력으로 무단 변속 전동을 실현할 경우, 예를 들면, 체인식과 강철 벨트식 무단 변속 전동장치 등의 효율은 비교적 높이 향상되지만 재료성능과 강철 벨트의 최소 굴곡반경의 제한을 받아 그 변속과 토크 변환의 범위가 제한되어 여전히 유압 토크 변환기 또는 클러치와 배합하여 사용해야 한다. 유압식 가변 펌프 - 모터로 유압식 무단 변속 시스템을 구성하지만 단일 펌프 또는 모터의 효율은 90％에 도달하여도 시스템의 전체 효율은 여전히 80％ 이하에 밖에 미치지 못한다. 일종의 개선으로서 미국 특허 6145409 Hybrid Gearbox, 일본 Komatsu기계 및 중국 일부 대학교에서 연구한 "기계 유압 분할방식의 다단계 무단 변속" 등 유압식 무단 변속과 기계식 전동을 결합한 분할 전동방안을 채택하여 양호한 에너지 절약의 효과를 거두었다. 그러나 중량과 체적이 크기 때문에 버스, 학교 차량, 트랙터와 특수 용도의 공정 차량에만 사용된다. 현재 널리 사용되고 있는 내연기관을 동력으로 하는 자동차를 놓고 보면, 어떤 변속기를 사용하든지 자동차 저속과 등속 운동 등 낮은 부하의 작동상태에서 엔진의 낮은 효율, 자동차를 제동할 때의 운동 에너지 회수와 시스템 동력성과 경제성의 상호 모순 등 3대 난제를 해결할 수 없다. 그러므로 기계전기식(mechanical - electrical) 혼합동력과 기계 유압식(mechanical - hydraulic) 혼합동력 모드가 나타났다. 기계전기식 혼합동력 구동 시스템은 기계 시스템과 전기 시스템의 결합방식에 따라 직렬, 병렬과 혼합 등 3가지 모드로 나눌 수 있다. 전력 공급의 크기에 따라 약한 혼합(weak hybrid)과 강한 혼합(strong hybrid)으로 나눈다. 약한 혼합의 방출되는 전기 에너지는 엔진의 시동과 정지에 대한 컨트롤과 가속 보조에만 사용되기 때문에 에너지 절약 효과가 제한된다. 강한 혼합은 전기 에너지가 독립적으로 자동차를 구동하여 전진하게 하며, 기계전기식 강한 혼합동력의 구동은 일반 승용차가 시내지역에서의 연료 소모량이 3.5 - 5.5L/100km에 도달하게 하며 연료 소모량은 30 - 50% 낮추며 오염물 배출량은 90％ 낮춘다. 자동차가 저속과 낮은 부하상태에서 주로 전기를 사용하며 일정한 속도에 도달하면 엔진을 가동한다. 엔진은 전동기가 저속상태에서의 큰 토크 특성을 이용하여 직접 자동차를 구동하여 출발하고 가속한다. 이때의 구동전류가 매우 크며 효율이 낮다. 전기 에너지의 일부 에너지 전환 사슬이 매우 길다. 그 전환 사슬은 엔진 - 발전기 - 변환기 - 전지조 충전 - 전지조 방전 - 변환기 - 전동기 - 자동차이며 전기 효율은 일반적으로 70％에밖에 미치지 못한다. 고속상태에서 모터도 반드시 변속작동에 참여하기 때문에 고속상태에서 전체 효율이 상대적으로 낮아진다. 자동차가 제동할 때에 반드시 큰 일률의 모터와 큰 전류의 충전과 방전을 반복적으로 진행할 수 있는 전지조를 사용하여야 운동 에너지를 비교적 잘 회수할 수 있다. 그러므로 원가가 매우 높아진다. 기계전기식 혼합방식 외에 기계 유압식 혼합 구동방법도 있다. 유압식 에너지 저장장치의 소모량이 적고 출력밀도가 크기 때문에 유압 회수비례가 전기 에너지의 회수효율보다 높고 유압기술이 성숙되며 수명이 길고 원가가 비교적 낮다. 20세기 70년대 세계 에너지 위기시기에 유럽과 일본은 대량으로 시험한 적이 있지만 그 당시 조건의 제한을 받아 진전이 순조롭지 않았다. 그러나 미국은 지금까지도 노력하여 탐색하고 있다. 기계 유압식 혼합도 병렬과 직렬 등 2가지 방식으로 나눈다. 병렬방식에서 미국 환경보호국과 FORD회사, EATON회사가 시험을 한 적이 있는 유압식 출발 보조 시스템(HLA - Hydraulic Launch Assist)은 기존의 전동 시스템에 유압 펌프 1개를 병렬시켜 제동 에너지를 회수하고 자동차가 다시 시동할 때에 방출한다. 이 시스템은 60% 정도의 제동 에너지를 회수할 수 있고, 시내구역에서 주행할 때에 에너지 소모량을 25 - 35％ 줄이며 폐기 배출량을 50％ 줄일 수 있다고 한다. 유사한 제품은 중국 특허 200420040920.8 - "공공버스 병렬식 유압 혼합동력 전동장치"가 있다. 그러나 병렬 시스템은 고속상태에서 에너지 절약 효과가 뚜렷하지 않다. 직렬방식에서 미국 환경보호국이 신청한 미국 특허 6719080 - "Hydraulic Hybrid Vehicle", 중국에서 신청한 특허 01803550 - "유압 혼합 구동형 차량" 및 중국 특허 200420040925.0 - "공공버스 직렬식 유압 혼합동력 전동장치"는 최소 2개 유압 펌프/모터와 고압과 저압의 2개 에너지 저장장치를 제공하여 완전유압방식으로 변속과 전동을 진행한다. 엔진 효율은 대폭 향상되지만 유압식 전동의 효율이 비교적 낮아 일부 에너지 절약 효과가 상쇄된다. 이러한 시스템의 개선방안으로서 미국 특허 4441573, 5088041, 5495912는 듀얼 엔진(dual - engine) 모드, 다단 압력(multi - stage pressure) 모드 등 여러 가지 기계 유압식 혼합 구동 기구와 에너지 관리방법을 제출했다. 그중에서 비교적 선진적인 것은 듀얼 모드의 기계 유압식 혼합 구동으로서 저속상태에서 완전히 유압식 무단 변속을 진행하고 고속상태에서 완전히 기계식 전동을 진행하며 2개 클러치를 통해 모드 사이의 전환을 실현한다. 그러므로 에너지 절약 효과를 일부 높일 수 있지만 저속상태에서 유압식 전동의 효율이 낮으며 고속상태에서 기계식 전동은 시스템 동력성과 경제성의 모순을 해결할 수 없어서 개선 효과가 제한된다. 중국에서 북경이공대학 기계차량공정학원은 기계 유압 분할방식의 무단 변속과 혼합동력방면에서 이론적으로 많은 연구와 탐색을 진행하였으며 일부 시뮬레이션(simulation) 분석결과를 얻었다. 요약하면, 수동, 자동 또는 무단 변속 등 단순한 자동차 변속장치를 채택하여도 3가지 에너지 절약의 핵심을 해결할 수 없다. 기계전기식 혼합 구동방식을 채택하면 에너지 절약 효과를 비교적 많이 개선하지만 전지의 성능과 시스템의 원가는 그 발전을 제한하는 핵심 문제로 되었다. 예를 들면, 쾌속 충전과 방전, 에너지 저장효율의 향상과 전지수명 등 기술문제는 해결되지 않았다. 그 외에 구동 시스템이 복잡하여 필요한 기계전기식 전환 컨트롤, 전지조와 큰 일률 모터의 원가가 높으며 세계에서 이미 사용하고 있는 약 8억 대 차량의 에너지 절약목적을 달성하기 어렵다. 기존의 기계 유압식 혼합 구동 모드는 아직 유압 시스템의 비에너지(specific energy)가 작고 전동 효율이 낮은 결함을 극복할 수 없으며 설계한 기구가 복잡하고 체적과 중량이 크기 때문에 공공버스, 우편차, 청소 트럭 등 시내지역에서 주행하는 대형 자동차에만 사용되며 전체 시스템의 에너지 절약 효과가 아직 뚜렷하지 않다. 현재 세계 자동차업계는 보편적으로 플러그인(Plug - in)방식의 기계전기식 혼합 구동 자동차에 대해 낙관적이며 에너지 절약 효과를 더 높이고 폐기 배출량을 줄이며 환경을 개선할 수 있지만 그 원가 절약은 관건적 문제이다. 이러한 문제는 바로 본 발명에서 해결하려는 문제이다.