KR100460859B1 - 하이브리드 전기 자동차의 동력전달장치 - Google Patents

Abstract

동력 전달시스템의 구성을 컴팩트화하여 탑재성을 높이고, 모터의 용량을 작게하여 고가의 배터리를 수요를 적게함으로써, 제작원가를 절감할 수 있도록 한 하이브리드 전기 자동차의 동력전달장치를 제공할 목적으로;

연료를 사용하는 엔진과 전기모터를 동시에 동력원으로 사용하고, 무단변속기를 적용하고 있는 하이브리드 전기 자동차에 있어서,

상기 엔진과 무단 변속기 사이에 발전/시동용 모터와 유성기어셋트를 배치하되, 상기 발전/시동용 모터는 엔진 출력축과 클러치를 개재시켜 연결하고, 상기 유성기어셋트는 하나의 작동요소는 상기 발전/시동용 모터와 연결하고, 무단 변속기와 연결되는 출력요소를 제외한 다른 하나의 작동요소가 엔진의 출력축과 직접적으로 연결함을 특징으로 한다.

Description

하이브리드 전기 자동차의 동력전달장치{POWER TRANSMISSION DEVICE FOR HYBRID ELECTRIC VEHICLES}

본 발명은 하이브리드 전기 자동차(Hybrid Electric Vehicle)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 동력 전달시스템의 구성을 컴팩트화하여 탑재성을 높이고, 모터의 용량을 작게하여 고가의 배터리를 수요를 적게함으로써, 제작원가를 절감할 수 있도록 한 하이브리드 전기 자동차의 동력전달장치에 관한 것이다.

예컨대, 하이브리드 자동차라고 함은 서로 다른 두 종류 이상의 동력원을 효율적으로 조합하여 차량을 구동하는 것을 의미하며, 통상적으로는 연료를 사용하여 동력을 얻는 엔진과 전기로 구동되는 전기 모터로 구성된 시스템을 말한다.

이러한 하이브리드 전기 자동차는 기존의 유단(有段) 변속기인 자동 변속기대신에 무단 변속기(이하, CVT로 칭함)를 탑재하여 엔진의 연료 소비가 적은 영역에서 운전시킴으로써, 연비향상에 도움이 되도록 하고 있다.

그리고 하이브리드 전기 자동차에 있어서 연비향상 효과가 가장 크게 이루어지고 있는 부분은 차량이 가속을 할 때 전기모터를 이용한 동력 조보와 CVT 변속비 제어를 통한 엔진의 최적 운전을 수행함으로써, 기존의 가솔린 엔진과 자동변속기를 탑재한 차량에 비하여 우수한 연비를 얻을 수 있게 되는 것이다.

이러한 하이브리드 전기 자동차의 종래 구성을 살펴보면, 도 3에서와 같이, 엔진(100)의 출력측에 전기모터(102)를 두고 그 후측으로 발진 클러치(104)를 포함하는 무단 변속기(106)를 배치하고, 이의 무단 변속기(106)로부터 출력되는 동력으로 구동륜(108)을 구동시킬 수 있도록 구성하고 있다.

그리고 상기 전기모터(102)는 모터 컨트롤 유닛(MCU)을 통해 배터리(110)의 전원을 공급받으면서 제어되며, 하이브리드 전기 자동차를 전체적으로 총합 제어하는 하이브리드 제어유닛(HCU)은 엔진제어유닛(ECU)와 트랜스밋션 제어유닛(TCU), 그리고 배터리 관리 시스템(BMS)과 운전자가 직접 조작하는 여러 기구와 전기적으로 연결되어 현재의 차량 운전상태를 입력받아 모터 컨트롤 유닛(MCU)을 제어하게 제어하게 되는 것이다.

이러한 하이브리드 전기 자동차는 시동을 걸때에는 전기모터를 이용하여 초기 연료 소모와 배기가스 발생을 최소화하고, 가속시에는 일정 시속동안 전기모터가 엔진의 동력을 보조하게 되는 것이다.

즉, 저속에서는 전기의 힘으로, 중고속에서는 연료로 차가 움직이게 되는 것이며, 일반 주행시에도 일정 속도를 넘으면 연료는 전기에서 가솔린으로 바뀌게 됨으로써, 전기모터의 도움으로 엔진에 걸리는 부하 및 작동조건이 개선되고, 엔진의 배기가스 배출을 크게 줄일 수 있는 장점이 있는 것이다.

그러나 하이브리드 전기 자동차에 있어서는 단순히 엔진과 변속기 사이에 동력을 보조할 수 있는 전기모터만을 설치하고 있는 바, 상기한 바와 같이 엔진의 동력을 보조하여 이에따른 제반 효과를 얻을 수 있다는 장점은 있으나, 동력 보조를 위하여는 용량이 큰 모터가 적용되어야 함으로써, 고가의 배터리를 다수 필요로하여 생산 원가 및 차량의 경량화에 악영향을 미친다는 문제점을 내포하고 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된것으로서, 본 발명의 목적은 동력 전달시스템의 구성을 컴팩트화하여 탑재성을 높이고, 모터의 용량을 작게하여 고가의 배터리를 수요를 적게함으로써, 제작원가를 절감할 수 있도록 한 하이브리드 전기 자동차의 동력전달장치를 제공함에 있다.

도 1은 본 발명에 의한 하이브리드 전기 자동차의 동력전달장치의 구성도.

도 2는 본 발명에 의한 동력 전달 계통의 작동도.

도 3은 종래 하이브리드 전기 자동차의 동력전달장치의 구성도이다.

이를 실현하기 위하여 본 발명은, 연료를 사용하는 엔진과 전기모터를 동시에 동력원으로 사용하고, 무단변속기를 적용하고 있는 하이브리드 전기 자동차에 있어서,

상기 엔진과 무단 변속기 사이에 발전/시동용 모터와 유성기어셋트를 배치하되, 상기 발전/시동용 모터는 엔진 출력축과 클러치를 개재시켜 연결하고, 상기 유성기어셋트는 하나의 작동요소는 상기 발전/시동용 모터와 연결하며, 무단 변속기와 연결되는 출력요소를 제외한 다른 하나의 작동요소가 엔진의 출력축과 직접적으로 연결함을 특징으로 한다.

또한, 유성기어셋트는 선기어가 상기 발전/시동용 모터와 연결되고, 링기어가 엔진의 출력축과 연결되며, 유성 캐리어와 무단 변속기를 연결하는 축상에는 역회전을 방지할 수 있는 원웨이 클러치를 배치함을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도1은 본 발명에 의한 하이브리드 전기 자동차의 동력전달장치 구성도로서, 엔진(2)의 출력축(4)상에 발전/시동용 모터(6)와 유성기어셋트(8)를 배치하고, 상기 유성기어셋트(8)의 출력측에 미도시 한 발진 클러치를 포함하는 무단 변속기(10)를 배치하며, 상기 무단 변속기(10)로부터 출력되는 동력으로 구동륜(12)을 구동시킬 수 있도록 구성하고 있다.즉, 본 발명은 기존의 하이브리드 전기자동차의 엔진(2)과 무단 변속기(10) 사이에 발진/시동용 모터(6)와, 싱글 피니언 유성기어셋트로 이루어지는 유성기어셋트(8)를 배치한 구성이다.

상기와 같이 발진/시동용 모터(6)와 유성기어셋트(8)를 배치함에 있어서는, 엔진(2)의 회전동력이 출력되는 출력축(4)은 클러치(14)를 개재시켜 상기 발전/시동용 모터(6) 및 유성기어셋트(8)의 선기어(16)와 동시에 연결되고, 유성기어 셋트(8)의 링기어(18)와는 직접적으로 연결된다.

그리고 상기 유성기어셋트(8)의 피니언을 회전 자유롭게 지지하는 유성 캐리어(20)는 무단 변속기(10)와 연결되어 출력요소로 작용하며, 상기 유성 캐리어(20)와 변속기 하우징 사이에는 유성 캐리어(20)의 역회전을 방지할 수 있는 원웨이 클러치(F)가 개재된다.

또한, 상기 발전/시동용 모터(6)는 모터 컨트롤 유닛(MCU)을 통해 배터리 (B)의 전원을 공급받으면서 제어되며, 하이브리드 전기 자동차를 전체적으로 총합 제어하는 하이브리드 제어유닛(HCU)은 엔진제어유닛(ECU)과 트랜스밋션 제어유닛 (TCU), 그리고 배터리 관리 시스템(BMS)과, 운전자가 직접 조작하는 가속 페달 센서(APS)등과 전기적으로 연결되어 현재의 차량 운전상태를 입력받아 모터 컨트롤 유닛(MCU)을 제어하게 제어하게 되는 것이다.

이와같이 이루어지는 본 발명의 하이브리드 전기 자동차의 작동은 도2 에서와 같이 작동하게 된다.즉, 초기 시동은 발전/시동용 모터(6)에 의하여 이루어지게 되는데, 이때에는 클러치(14)의 작동을 해제한 상태에서 발전/시동용 모터(6)가 구동되면 이의 회전 동력은 직접적으로 연결되어 있는 유성기어셋트(8)의 선기어(16)를 통해 입력이 이루어지게 된다.

그러면 유성 캐리어(10)는 싱글 피니언 유성기어셋트의 특성에 따라 역회전을 하려고 하지만, 원웨이 클러치(F)에 의하여 역회전이 억제되면서 반력요소로 작동하여 링기어(18)를 선기어(16)와는 반대 방향으로 회전시키게 되며, 상기 링기어(18)의 회전력은 직접 연결되어 있는 엔진 출력축(4)을 구동시킴으로써, 엔진의 크랭킹이 이루어지면서 엔진이 시동되는 것이다.

그리고, 크리이프(Creep) 모드에서는 엔진이 계속 작동하고 있는 상태이므로 이의 회전력이 유성기어셋트(8)를 통해 발진/시동용 모터(6)로 전달되는데, 이때에는 발전/시동용 모터(6)가 발전기로 변환되면서 충전이 이루어지게 된다.

또한, 차량을 발진시키고자 하는 발진모드(Launch Mode)에서는 엔진의 회전력이 유성기어셋트(8)를 통해 변속기로 전달됨과 동시에 발진/시동용 모터(6)의 구동에 의하여 이의 구동력이 보조동력으로 전달됨으로써, 충분한 구동력으로 가속이 이루어지게 되는 것이다.

그리고 차량의 발진하여 주행이 정상적으로 이루어지는 엔진 드라이브 모드(Engine Drive Mode)와 가속을 위한 가속모드(Power BooSter MODE)에서는 클러치(14)가 작동 제어되는데, 이때 유성기어셋트(8)에는 선기어(16)와 링기어(18)를 통해 입력이 동시에 이루어짐으로써, 유성기어셋트(8)가 록킹되어 직결의 상태가 되면서 정상적인 주행이 이루어지게 되며, 특히 가속 모드에서는 발진/시동용 모터(6)가 작동 제어되면서 엔진의 동력을 보조하여 가속성능을 향상시킬 수 있게 되는 것이다.

또한, 차량의 중 감속이나 제동을 하는 경우에는 에너지 회생 모드(Energy Regen)에서는 잉여 동력이 발진/시동용 모터(6)이 전달되면서, 충전이 이루어지게 되며, 후진 모드(Reverse Mode)에서는 정상적인 주행과 마찬가지로 클러치(14)가 작동 제어되면서, 무단 변속기(10)내의 전후진 클러치가 작동하여 후진이 이루어진다.

그리고 엔진이 시동이 걸린 상태에서 차량의 주행이 이루어지지 않을 때에는 회생 모드(Regen Mode)로서 엔진 회전력에 의하여 충전이 이루어지게 되는데, 이때에는 차량의 정지에 의하여 유성 캐리어(20)가 반력요소로 작동하게 되는 바, 선기어(16)가 역회전하면서 충전이 이루어지게 되는 것이다.

상기에서 발전/시동용 모터(6)의 발전기 또는 시동용 모터로서의 작용은 모터 컨트롤 유닛의 제어에 의하여 이루어지는 것이며, 이러한 기술적 사항은 이미 공지된것이므로 상세한 설명은 생략한다.

그리고 상기 본 발명에서 적용되는 발진/시동용 모터(6)는 유성기어셋트(8)의 적용으로 용량이 적은 것이 사용 가능한데, 이는 시동시에는 유성기어셋트(8)의 기능 특성상 선기어(16)로 입력이 이루어지는 상태에서 링기어(18)로 출력이 이루어질 때에는 큰 감속비로 출력이 이루어지게 되는 바, 적은 힘으로도 엔진의 크랭킹이 가능하기 때문이다.

또한, 반대로 충전이 이루어질 때에는 링기어(18)로 입력이 이루어지는 상태에서 선기어(18)로 출력이 이루어질 때에는 증속된 상태로 출력이 이루어지기 때문에 충분한 발전 기능을 수행할 수 있기 때문인 것이다.

이상에서와 같이 본 발명에 의하면, 엔진과 무단 변속기 사이에 발전/시동용 모터와 유성기어셋트를 배치함으로써, 출발, 구동, 충전, 동력보조 기능을 기존의 하이브리드 전기 자동차에 비하여 보다 효과적으로 수행할 수 있게 된다.

그리고 소용량 발전/시동용 모터와 유성기어셋트가 적용됨으로서, 동력 전달계통의 컴팩트화로 탑재성을 향상시킬 수 있으며, 특히, 소용량 발전/시동용 모터의 적용으로 고가인 배터리의 수를 줄일 수 있게 되는 바, 생산원가의 절감은 물론 차량의 경량화 기여할 수 있는 발명인 것이다.

Claims (4)

1. 연료를 사용하는 엔진과 전기모터를 동시에 동력원으로 사용하고, 무단변속기를 적용하고 있는 하이브리드 전기 자동차에 있어서,

   상기 엔진과 무단 변속기 사이에 발전/시동용 모터와 유성기어셋트를 배치하되, 상기 발전/시동용 모터는 엔진 출력축과 클러치를 개재시켜 연결하고, 상기 유성기어셋트는 하나의 작동요소가 상기 발전/시동용 모터와 연결되고, 무단 변속기와 연결되는 출력요소를 제외한 다른 하나의 작동요소가 엔진의 출력축과 직접적으로 연결됨을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차의 동력전달장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 유성기어셋트는 선기어가 상기 발전/시동용 모터와 연결되고, 링기어가 엔진의 출력축과 연결됨을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차의 동력전달장치.
4. 제3항에 있어서, 유성기어셋트의 유성 캐리어와 무단 변속기를 연결하는 축상에는 역회전을 방지할 수 있는 원웨이 클러치를 배치하여 이루어짐을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차의 동력전달장치.