친환경 자동차 > 11. 병렬 하드형 하이브리드(TMED) 구조
▣ 병렬 하드형 하이브리드 개요
모터가 변속기에 장착된 방식(TMED : Transmission Mounted Electric Device)은 모터와 엔진 사이는 클러치로 분리되어 있어 모터 구동, 엔진 구동, 엔진+모터 구동을 할 수 있다. 병렬 하드 방식, 풀(또는 하드) 방식, TMED 방식이라 부른다.
▣ 주행 작동 모드
▶ EV 주행 모드 : 출발 및 저속에서는 모터의 힘만으로 구동한다.
▶ 엔진 주행 모드 : 고전압 배터리 방전시 엔진으로 주행하면서 HSG(하이브리드 스타터 제너레이터)로 고전압 배터리를 충전한다.
▶ HEV 주행 모드 : 자동차 구동력이 많이(고속, 가속, 등속 운전) 필요한 경우 엔진 + 모터로 주행한다.
▶ HSG는 HEV 모드 진입시 엔진을 시동하며, 엔진 시동 후 동기화(구동모터 속도 까지 엔진 회전수 올림)후 클러치 접속 시킨다.
▶ 회생 제동 : 감속시 브레이크 페달을 밟거나 관성 주행시 모터가 발전기로 전환되어 전기를 생성하여 배터리에 충전하는 방식이다. 원리는 회전자(영구자석)가 자기장을 발생시키면 고정자(스테이터 코일)가 자기장을 끊어 전기를 발생시킨다.(엔진 저속 부근)
▣ 병렬 하드형 하이브리드 구성도
▣ 하이브리드 컨트롤 시스템
▶ 하이브리드 컨트롤 시스템(HPCU)은 전체 하이브리드 시스템 제어용 컨트롤 모듈인 HCU(Hybrid Control Unit)들 중심으로 엔진(ECU), 변속기(TCM), 고전압 배터리(BMS ECU), 하이브리드 모터(MCU), 저전압 직류 변환 장치(LDC)등의 각 시스템 컨트롤 모듈과 CAN 통신으로 연결되어 있다. 이 외에도 HCU는 시스템 제어를 위해 브레이크 스위치, 클러치 압력 센서 등의 신호를 이용한다.
▶ HPCU : HPCU(Hybrid Power Control Unit)하이브리드 전기 자동차는 상위 제어기인 HCU와 전력 변환 장치인 LDC 및 인버터가 하나의 HPCU로 통합되어 엔진 룸의 좌측에 배치되어 있다. 인버터는 차량 내 존재하는 2개의 모터(구동 모터, HSG)에 고전압의 교류 전력을 공급하고 주행상황에 따라 HCU와 통신을 통하여 2개의 모터를 최적으로 제어하는 역할을 한다. 그리고 고전압 배터리의 직류 전력을 모터의 작동에 필요한 3상 교류의 전력으로 바꾸어 2개의 모터에 공급한다. HCU의 토크 지령을 받아 모터의 제어와 감속 및 제동시에 모터는 발전기의 역할을 하며, 배터리 충전을 위한 에너지 회생(3상 교류를 직류로 변경) 기능을 한다. 인버터를 제어기 입장에서는 MCU(Motor Control Unit)라고 부르기도 한다.
▶ 하이브리드 컨트롤 유낫(HCU) : HCU는 차량의 상태, 운전자의 요구, 엔진의 정보, 고전압 배터리 정보 등을 기초로 하여 엔진과 모터의 파워 및 토크 배분, 회생 제동과 페일-세이프(Fail-Safe)를 제어하는 역할을 한다.[HCU 주요 기능]
▶ 브레이크 스위치 : 브레이크 스위치는 브레이크 페달에 장착되어 있으며 정지등과 HCU와 연결되어 있다. 브레이크 스위치는 브레이크 페달의 밟음 또는 해제 상태를 감지하여 HCU로 그 신호를 전송한다.
▶ 하이브리드 엔진 클러치(Hybrid Engine Clutch) : 엔진 클러치는 하이브리드 구동 모터 내측에 장착되어 있으며, 유압에 의해 작동된다. 엔진 클러치는 엔진의 구동력을 변속기에 기계적으로 연결하거나 해제하며, 클러치 압력 센서(CPS)는 이 때의 오일 압력을 감지한다. HCU는 이러한 신호를 이용하여 차량의 구동 모드(EV 모드 또는 HEV 모드)를 인식할 수 있게 된다. 클러치 압력 센서(CPS)는 변속기 하우징의 전기식 오일 펌프(OPU) 옆에 장착되어 있다,
▶ 엔진 클러치 압력 센서 : 엔진 클러치는 하이브리드 구동 모터 내측에 장착되어 있으며, 유압에 의해 작동된다. 엔진 클러치는 엔진의 구동력을 변속기에 기계적으로 연결하거나 해제하며, 클러치 압력 센서(CPS)는 이 때의 오일 압력을 감지한다. HCU는 이러한 신호를 이용하여 차량의 구동 모
▣ 하이브리드 모터
▶ 모터 구조 : 드라이브 모터는 내부 영구 자석(Interior Permanent Magnet) 타입으로 작은 사이즈·고효을의 일반적인 산업모터이다. 이 모터는 하이토크 운전이나 광범위한 속도 조절을 가능하게 한 희토류 영구 자석식 동기 모터(Permanent Magnet Synchronous Motor)이다. PMSM 타입의 구동 모터는 높은 출력과 높은 회전력을 제공하기 위해 IPM(지능형 파워모듈 : Intelligent power module)이 내재되어 있다.
▶ 모터 작동 원리 : 전기 모터의 작동 원리는 고정자(Stator)에 있는 전자석과 로터(Rotor) 내부에 장착된 영구 자석의 상호 작용에 의해 생성된 회전력(Torque)에 기반을 두고 있다. 인버터 3단계는 고정자 코일(권선 코일)에 전류의 흐름이 바뀔 때 회전자계가 형성된다. 이것은 로터부에 포함된 자석 사이의 상호작용으로부터 생긴 전자기 유도를 통해 회전력을 생성한다. 이 회전력이 모터를 회전시키며, 고정자에 형성된 회전자계의 속도와 실제 로터의 속도가 일치하게 된다. 그래서 이 모터를 동기 모터(동기 전동기)라고 한다.
▶ 하이브리드 냉각 시스템 : HPCU에는 여러 가지 반도체 장치가 사용된다. 이 장치들은 고전압과 바로 연결되어 엔진의 연소기관 장치들보다 더 많은 열이 발생한다. 과열은 제어장치의 효율을 낮추고 올바른 작동의 제어를 제한한다. 게다가 반도체가 과도한 열 속에 녹을 수도 있다.(장치가 항상 ON 상태) 그리고 과도한 열은 고장의 원인이 된다. 이러한 이유로 하이브리드 자동차는 별도의 냉각 시스템을 갖추고 있다.
▣ 배터리 팩 어셈블리
▶ 배터리 팩 어셈블리 개요
고전압 배터리 시스템은 하이브리드 구동 모터, HSG와 전기식 A/C 컴프레서에 전기 에너지를 제공하고, 회생 제동으로 인해 발생된 에너지를 회수한다. 고전압 배터리 시스템은 배터리 팩 어셈블리, BMS ECU, 파워 릴레이 어셈블리, 케이스, 컨트롤 와이어링, 쿨링 팬, 쿨링 덕트로 구성되어 있다.
▶ 배터리
배터리는 리튬이온 폴리머 배터리(LIPB ; Lithium Ion Polymer Battery) 타입이며, 72셀(8셀 × 9모듈)이다. 각 셀의 전압은 DC 3.75V이며, 배터리 팩의 정격 용량은 DC 270V 이다.
▶ 고전압 배터리 컨트롤 시스템 주요 기능
• 고전압 배터리 컨트롤 시스템은 컨트롤 모듈인 BMS ECU, 파워 릴레이 어셈블리(PRA : Power Relay Assembly), 안전 플러그, 배터리 온도센서, 배터리 외기 온도 센서로 구성되어 있으며, 고전압 배터리의 SOC(State Of Charge) 출력, 고장 진단, 배터리 셀 밸런싱(Balancing), 시스템 냉각, 전원 공급 및 차단을 제어한다.
• 파워 릴레이 어셈블리는 메인 릴레이, 프리 차지 릴레이, 프리 차지 레지스터, 배터리 전류 센서, 메인 퓨즈 및 안전 스위치로 구성되어 있으며, 부스바 (Busbar)를 통해서 배터리 팩과 연결되어 있다.
▶ 배터리 셀 벨런싱(Balancing)
2개 셀 이상의 배터리에서 충전/방전을 하면 셀마다 전압이 조금씩 달라진다. 예를 들면 2개의 셀을 충전 중 첫 번째 셀 전압이 4.4V가 되고 두 번째 셀 전압이 4.1V가 된다면 첫 번째 셀의 보호를 위해 충전을 중지해야 한다. 그렇게 되면 두 번째 셀이 완전히 충전되지 않기 때문에 전체 충전 용량이 줄어들게 된다. 위와 같이 달라지는 셀의 보호를 위하여 사용하는 기능이 셀 밸런싱 기능이다. 셀 밸런싱은 전압이 높은 셀 부분만을 방전시켜 다른 셀들과 같은 전압으로 낮추는 것이다. 셀 밸런싱 기능은 보통 충전 중에만 사용한다.셀 밸런싱은 Passive와 Active 방식이 있다. Passive 방식은 셀 전압을 낮추기 위해 저항으로 셀의 충전 에너지를 소비시키는 방식이고, Active 방식은 높은 전압 셀의 충전 에너지를 낮은 전압의 셀로 이동시키는 방식이다..