<그림 2-1> THS-II의 변속충격 없는(shockless, seamless) 가속성능 가속 느낌 응답성이 양호한 발진 Shockless Seamless 지속되는 파워 가 속 도 TH S-II탑 재 차 량 CAMRY 2.4 리터 4단 자동변속 THS탑재차 량 (PRIUS) 지속시간(초)
<그림 2-2> 미국LA운전모드에서의 구동력요구빈도 시간(초) 평균출력 LA운전모드 최대출력 출력(W)
<그림 2-3> 미국DOE의 시판하이브리드자동차 성능비교
<그림 2-4> Prius와 미국 시판 유사성능 승용차 비교
<그림 2-5> 차륜구동용 모터와 축전장치의 출력밀도 향상
<그림 2-6> Honada IMA와 외관 Honda IMA (Integrated Motor Assist) 시스템 1.3L i-dsl기통휴지vtec엔진 박형 브러시리스DC모터 Honda 멀티마틱스S
<표 2-1> Honda Insight 저연비달성기술 분류 기술 구체적 기법 연비향상기여율 (기준:Civic5단 MT) <시스템> 전체 경량 고효율의 단순한 구조의 독자적인 하이브리드시스템 감속에너지의 재생으로 저연비 발휘 파워유닛 의 고효율화 HONDA IMA 시스템 아이들 스톱 시스템 경량 고효율의 Honda multimatics 경량5단 수동변속 <엔진> 1,000cc린번VTEC엔진의 연소효율 향상 엔진세부에 걸친 저항 저감 1,000cc엔진 세계 최경량 <모터어시스트> 단순한 구조의 경량 고효율의 어시스트시스템 엷은 연구자석 동기모터 니켈-수소이차전지 PCU(출력제어유닛) 엔진 35 % 모터 어시스 30 % 트 공력성능 의 추구 공력흐름 풍동실험으로부터 궁극의 공기저항 Cd값=0.25달성(Honda사내 측정치) 차체 세부에 걸친 철저한 공력처리 공력펜더,\/리어포일스커트/바닥흐름 정류 주행저항 의 저감 굴림저항을 대폭적으로 저감한 저연비타이어 경량 저연비의 피니엉축구동식 EPS(전동구동식 파워스테어링) 차체의 경량화 신골격 경량 알르미늄 차체 압출성형재, 다이캐스트 성형재, 프레스성형재의 장점을 조합 한 신알루미늄차체 압출성형법의 특성을 살린 경량골격 다이캐스트 성형의 특성을 살린 조인트 알루미늄과 수지제 경량 외판 파넬 차체기 술 35 % 경량 콤팩트구조의 서스펜션 샤시 부품의 알루미늄화 프런트로와암/브레이크시스템/브레이크와 클러치페달 수지제 연료탱크 인테리어 경량시트와 내장재
<표 2-2> THS-II와 IMA의 기술사양 THS-II IMA 비고 탑재차량 5인승2005년형 Prius 2인승 Insight 하이브리드시스템 패럴렐-시리즈 통합형 패럴렐 엔진형식 아트킨슨사이클 린번 전용엔진, 가변밸브타이밍,기 동/정지시 진동 최저화 엔진최고출력 (kw/rpm) 57/5,000 51/5,700 엔진최대토크 (Nm/rpm) 115/4,200 92/4,800 모터형식 로터표면영구자석 로터매입형 동기식모터(후크 영구자동기식모터 설치) 릴럭턴스 병용형 모터 최대출력, 운전전압 50kW/1,200~1,540 최고운전전압 500V 10.0kW/3,000rp m, 144V 모터 최대토크 (Nm/rpm) 400/0~1,200 49.0/1,000 발전기형식 로터매입형 영구자동기식모터 발전기최고회전수 10,000 이차전 니켈-수소 니켈-수소 이차전지 축 지형식 이차전지 전 지 팩당모듈수 모듈전압 28 7.2V 20 7.2V 모듈크기 28 1.9 10.1cm 이차전지 팩 전압, 무게 201V, 39kg 동력분배기 유성기어 무단변속기+전자 클러치 인버터형식 IGBT(자체개발) IGBT Ni-MH(Panasonic EV Energy)
<그림 2-7> Prius의 구동력전달 발전기 이차전지 인버터 엔진 동력분할장치 모터 (a) 발진, 경부하시 (c) 통상 운전시 (b) 전출력 운전시 (d) 감속, 제동시
<그림 2-8> THS의 전기식 무단변속기 유성기어와 동력전달계통 연결 엔진 모터 발전기 차축 링기어 (모터-출력축) 피니언기어 선기어(발전기) 유성기어(엔진) 동력분활장치
<그림 2-9> THS-II 수직단면도 발전기 엔진 모터 동력분활장치 감속기 구동축
<그림 2-10> Ford Escape Hybrid의 동력분배와 무단변속시스템 유성기어 일방형 클러치 모터/발전기 28kW 구동용모터 65kW 차동치차
<그림 2-11> Lexus SUV R400h의 시스템작동 발진 : 발진과 저속주행 시에는 모터로만 주행 1 가속 시 이차전지가 전자식제어기에 전력을 보내고, 2 전자식 제어기는 이를 전륜모터와 후륜모터에 전력을 보낸다. 3 전/후륜모터는 조용하고 연하게 주행 을 시작한다. 정상주행 : 엔진과 모터가 직접 전륜을 구동 1 엔진출력은 전륜과 발전기로 분배된 다. 2 발전기는 전륜모터를 구동한다. 3 엔진출력은 효율이 가장 좋은 운전 상태가 되도록 제어된다. 4 이차전지에 충전이 필요할 때에는 발전기는 이를 충전한다. 가속/등판/추월 : 엔진과 전/후륜모터가 동시에 작동 1 엔진출력은 정상 주행 시와 같다. 2 가속성능을 증가시키기 위하여 전/ 후륜모터를 구동한다. 3 엔진은 발전기에도 출력을 분배한다. 4 이차전지에 충전이 필요할 때에는 발전기는 이를 충전한다. 감속/제동 : 전/후륜모터가 발전 1 감속 시 차량이 가지고 있던 기계적 에너지를 재활용한다. 2 전/후륜모터는 발전기가 되어 여기서 발 생한 전력을 전자식제어기로 보낸다. 3 전자식 제어기는 이 전력을 고전압 이차전지에 보내 충전한다.
<그림 2-12> Hino Dutro 하이브리드트럭 고성능DRP 초박형3상교류 모터 신형디젤엔진 인버터 니켈-수소 축전지
<그림 2-13> Hino Dutro 하이브리드트럭의 동력흐름 모터어시스트모드 트랜스미션 초박형3상교류모터 엔진 엔진주행(1) 인버터 니켈-수소축전지 엔진주행(2) 감속주행(회생브레이크) 기계적에너지흐름 전기적에너지흐름
<그림 2-14> Nissan Neo Hybrid 외관사진
<그림 2-15> Nissan Neo Hybrid System 모터 B 인버터 엔진 모터 A 클러치 <표 2-3> Nissan Neo Hybrid 자동차의 제원 Tino Hybrid 제원 성능 엔진 변속기 모터 이차전지 연비(일본 10.15주행모드) 동력성능 배기 1.8l 4기통 휘발유, 74kW, 141N m Hyper CVT 2개 영구자석 동기형모터 구동용(모터 A) 17kW, 발전용(모터 B) 약 10kW 망강 전극, 리튬이온이차전지, 346V, 최대출력 25kW 23km/l 합계출력 91kW 일본 Heisei규제치의 3/4수준(J-TLEV적합) 자료 : www.nissan-global.com
<그림 2-16> Nissan Neo Hybrid의 기본주행패턴 1.발진/저속주행 4.감속 발전기 엔진 모터 인버터 리튬이온 축전지 Hyper CVT 발전기 엔진 모터 인버터 리튬이온 축전지 Hyper CVT 전력 구 동력 전력 구 동력 2.정상주행 5.정차 발전기 엔진 모터 인버터 리튬이온 축전지 Hyper CVT 발전기 엔진 모터 인버터 리튬이온 축전지 Hyper CVT 전력 구 동력 전력 구 동력 3.급가속 발전기 엔진 모터 인버터 리튬이온 축전지 Hyper CVT 1. 엔진효율이 나쁜 발진/저속주행시는 엔진은 끄고 축전지로 모터주행 2. 엔진주행시에 발전기로 축전지충전 3. 급가속시는 발전은 중지, 엔진출력으 로 주행하고 모터가 어시스트 4. 주행용 모터가 발전하여 축전기에 축 전 5. 정차중 엔진정지로 연료소비저감 전력 구 동력
<그림 3-1> 하이브리드자동차 관련 전 세계 특허 기술분야별 출원인국적분포 HV관련특허 국적별 기술분포 1000 100 10 528 54 59 423 93 109 358 8 21 365 125 53 315 59 39 197 16 24 207 31 39 2 4 28 5 68 15 10 57 41 26 61 3 36 5 13 4 7 9 7 5 6 8 10 19 일본국적 미국국적 기타 1 동 력 분 제 배 동 제 및 어 회 생 동 력 분 배 타 기 및 기 주 행 제 어 충 전 장 치 축 전 지 자 체 내 연 기 관 공 기 조 화 후 처 리 기 술 연 료 전 지 회 생 제 동 영 구 자 석 동 기 식 모 터 유 도 모 터 A T / A T M C V T 기 타
<그림 3-2> 하이브리드자동차 관련 특허 기술분야별 3대일본국적출원인분포 HV관련특허 일본 3대 출원인 기술별 분포 1000 100 110 57 105 69 37 51 72 46 22 27 15 19 41 22 31 15 21 11 10 7 7 5 2 5 31 39 35 37 18 Toyota Nissan Honda 10 7 5 4 4 4 5 2 2 1 동 력 분 제 배 동 제 및 어 회 생 동 력 분 배 타 기 및 기 주 행 제 어 충 전 장 치 축 전 지 자 체 내 연 기 관 공 기 조 화 후 처 리 기 술 연 료 전 지 회 생 제 동 1 1 1 영 구 자 석 동 기 식 모 터 1 1 유 도 모 터 A T / A T M C V T 1 기 타
<그림 3-3> Toyota사의 하이브리드자동차관련 7대중기술 연도별 추이 60 50 B60L-011 B60K-006 40 F02D-029 30 20 10 B60K-017 B60K-008 B60K-041 F16H-061 0 1973년 1991년 1992년 1993년 1994년 1995년 1996년 1997년 1998년 1999년 2000년 2001년 2002년 2003년 2004년
<그림 3-4> IGBT 일본특허 주요자동차관련출원인 진입기간 맵
<그림 3-5> IGBT 일본특허 주요 자동차 관련출원인 기술특허 jepaigbt7출원인기술624 H01L -029/78 H01L -029/784 H01L -025/07 H01L -025/18 H02M -007/48 H03K-017/08 H02M -001/00 H02M -007/537 H02M -001/08 G 03B-015/05 0 5 10 15 20 25 30 DENSO HITACHI TOYOTA NISSAN MATSUSHITA HONDA D-C AISIN
<표 4-1> 전기자동차용 모터의 특징 항목 PM모터 유도모터 SR모터 최대효율 % 95-97 94-95 90미만 10%부하시효율% 90-92 79-85 78-86 최대회전수[rpm] 4,000-6,000 9,000-15,000 15,000미만 비용/출력[$/kW] 10-15 8-12 6-10 제어장치비용 2.5 3.5 4.5 수명 견고성 신뢰성 보수성 체적 중량 저속시의 원활운전 내기계적진동 기술축적 실적 장래성
<그림 4-1> 역돌극을 이용한 릴럭턴스병용 토오크증대 릴럭턴스 토크 영구자석 토크 로터 토 영구자석 토크 크 합성 토크 토크 향상 돌극 영구자석 릴럭턴스 토크 전류진각
<그림 4-2> 제어에 의한 모터의 운전영역 확대 전압한계 전류한계 A : 자석토크 단독 B : A + 릴럭턴스제어 C : A + B + 약계자제어 토 크 약계자제어에 의한 운전영역확대 모터 회전수 <그림 4-3> Honda Insight에서의 박형 영구자석동기식모터
<그림 4-4> Honda Insight IMA시스템
<그림 4-5> 매입형 연구자석에서의 자석 배치
<그림 4-6 > 모터 성능곡선 출력 토크 축 출 력 축 출 력 축 토 크 회전수 회전수
<표 4-2> 2003년 12월 현재의 최고성능 이차전지 비교표 니켈-수소 각형 니켈-수소 신 각형 리튬이온 출력밀도(W/kg) 1,000 1,300 3,000 에너지밀도(Wh/kg) 46 46 66 비고 EV panasonic EV panasonic Hitachi- 新 神 戶 電
<그림 4-7> 복합형 도요다 하이브리드시스템의 제어계통 엔진 전자제어 하이브리드 전자제어 엑셀 개방도 센서 배기관 배기정화 장치 차량 속도센서 엔진 이그니션 플러그 발전기 이차전지 인버터 유성기어 모터 공기 흡입미터 스로틀밸브 연료분사 장치 구동축 감 속 기 어 차 륜
<그림 4-8> 복합형 하이브리드시스템의 제어론리 예 Method of Controlling Power Output Apparatus 미국특허 us 6,380,640 B1 (2002, 4, 30)
<그림 4-9> 모터와 유압의 제동력 분담도 유압브레이크 회생브레이크 엔진 동력분활 장치 브레이크제어 ECU VSC, ABS 브레이크 어시스트 브레이크페달 스트로크센서 발전기 브레이크 액추에이터 차동 기어 모터 하이파워컨트롤 유닛 이차전지 고전압제어ECU
<그림 4-10> THS와 THS-II에서의 회생에너지 증가 브 레 이 크 패 달 밟 는 량 THS 제 동 력 회생브레이크 압브레이크 브 레 이 크 패 달 밟 는 양 THS-II 제 동 력 회생브레이크 ECB효과 회생영역확대효과 유압브레이크
<그림 4-11> 모터트랙션제어의 효과 속 도 액셀개방도 액 셀 개 방 도 제어없는 구동륜 차속(스립) 구동륜차속 제어 함 자동차속도 시간(초) 자료 : www.toyota.co.jp