KR100524504B1

KR100524504B1 - 이중 유성 기어 트레인을 구비한 하이브리드 엔진 차량의 동력 장치 조립체

Info

Publication number: KR100524504B1
Application number: KR10-2000-7008172A
Authority: KR
Inventors: 르옹그르클로드
Original assignee: 르노
Priority date: 1998-01-26
Filing date: 1999-01-22
Publication date: 2005-10-31
Also published as: TW431977B; JP2002500978A; KR20010040422A; WO1999037496A1; US6468175B1; DE69930498T2; EP1051308B1; DE69930498D1; ES2257026T3; FR2774040B1; JP3935673B2; EP1051308A1; FR2774040A1

Abstract

본 발명은 복수의 모드로 작동하는 하이브리드 엔진 차량의 동력 장치 조립체(10)로서; 전동기(16)의 출력축(24), 열기관(14)의 출력축(22), 교류 발전기(18)의 회전자축(28) 및 브리지(20)를 통해 차륜에 동력을 전달하기 위한 동력의 출력부에 회전식으로 연결되는 제1 크라운(C1), 제1 유성(P1), 제1 위성 지지체(PS1) 및 하나 이상의 제1 위성(S1)을 구비하는 제1 유성 기어 트레인(T1)과; 배터리(36)의 충전을 관리하는 전자 모듈(34)과; 제2 크라운(C2), 제2 유성(P2), 제2 위성 지지체(PS2) 및 하나 이상의 제2 위성(S2)을 구비하고, 이들 구성부품 중 하나는 전동기(16)의 출력축(24)에 회전식으로 연결되며, 나머지 구성부품은 제1 유성 기어 트레인(T1)의 동력 출력부와 브리지(20)에 연결되는 제2 유성 기어 트레인(T2)을 포함하고, 상기 전자 모듈(34)은 토크 및 속도를 제어함으로써 배터리를 재충전시킬 수 있는 교류 발전기(18)와 전동기(16)의 동작을 제어하고, 열기관(14)과 그 열기관의 출력축(22)을 블록킹하는 수단의 동작을 제어하는 것을 특징으로 한다.

Description

이중 유성 기어 트레인을 구비한 하이브리드 엔진 차량의 동력 장치 조립체{HYBRID ENGINE TRANSMISSION UNIT COMPRISING A DOUBLE PLANETARY GEAR TRAIN}

본 발명은 이중 유성 기어 트레인을 구비한 하이브리드 엔진 차량의 동력 장치 조립체에 관한 것이다.

구체적으로, 본 발명은 복수의 모드로 작동하는 하이브리드 엔진 차량의 동력 장치 조립체에 관한 것으로서, 이러한 형태의 동력 장치 조립체는, 전동기의 출력축, 열기관의 출력축, 교류 발전기의 회전자축 및 차륜에 동력을 전달하기 위한 동력의 출력부와 같은 동력 장치 조립체의 구성요소에 회전식으로 연결되어 있는 제1 크라운, 제1 유성, 제1 위성 지지체 및 적어도 하나의 제1 위성을 구비하는 제1 유성 기어 트레인을 포함하고, 배터리의 충전을 관리하는 전자 모듈이 특히 토크 및 속도를 제어하여, 특히 배터리를 재충전시키도록 전동기 및 교류 발전기의 동작을 제어한다.

하이브리드 엔진 차량의 동력 장치 조립체에 관한 여러 가지 예들은 공지되어 있다. 이것은 기본적으로 2개의 군(群), 즉 직렬 하이브리드 장치와 병렬 하이브리드 장치에 속한다.

직렬 하이브리드는 차륜에 연결되어 있는 하나 또는 복수의 전동기에 공급할 전기를 발생하는 발전기가 피스톤식 열기관 또는 터빈에 의해 구동되는 동력 장치 조립체이다. 전동기를 작동시키는 데 필요한 전기 에너지는 배터리에 축적할 수 있다.

프랑스 특허 공보 FR-A-2,734,318호는 이러한 동력 장치 조립체에 관해 설명하고 있다.

이러한 동력 전달 체인의 효율은 우수하지만, 이러한 장치는 적재 중량의 관점에서 불리한 전기부품이 필요하다는 문제가 있다. 사실, 상기 사용되는 전기부품은 차량의 전속력 추진을 보장해야 하므로, 큰 크기의 부품을 사용할 필요가 있다. 또한, 상기 전기부품 중 하나가 고장나는 경우에는 차량이 동작하지 않는다.

병렬 하이브리드는 열기관, 배터리에 의해 전력이 공급되는 전동기 및 트랜스미션이 이들을 서로 회전하도록 연결하는 장치를 통해 기계적으로 연결되어 있는 동력 장치 조립체이다. 통상, 이 장치에는 유성 기어 트레인 또는 기어 박스가 장착되어 있고, 이 유성 기어 트레인의 구성요소에는 전동기, 열기관 및 트랜스미션이 연결되어 있다.

병렬 하이브리드식 동력 장치 조립체는 두 종류의 추진, 즉 열적 추진과 전기적 추진을 독립적으로 또는 동시에 이용할 수 있는 이점이 있다. 2개의 원동기는 상호 연결되어 있고, 차량은 예컨대 사용 조건에 따라, 즉 희망 가속, 차량 이용 장소, 또는 차량 속도 등에 따라, 순수한 전기적 모드, 하이브리드 모드, 또는 순수한 열적 모드로 작동될 수 있다. 하나의 작동 모드로부터 다른 모드로의 전환은 전기 모듈에 의해 작동된다.

이러한 구성에 의하면, 차량의 추진을 위해 열기관의 동력을 직접 이용할 수 있고, 전동기는 보조적인 역할만을 수행하여, 보다 작고 가벼운 전기부품을 사용할 수 있다.

열기관의 역할 중 하나는, 발전기로서 사용되는 전동기를 통해 배터리를 재충전하는 것이다. 따라서, 이러한 동력 장치 조립체는 부피가 큰 전동기 또는 배터리를 필요로 하지 않는다. 또한, 한쪽 원동기를 우선적으로 사용할 수 있어, 다른 원동기가 고장을 일으키는 경우에도 차량이 주행 불능 상태가 되는 것을 회피할 수 있다. 그 결과, 부품들의 기계적인 결합을 통해, 종래 방식에서와 같이 시동기로 열기관을 시동하는 대신에, 전동기에 의해 열기관의 출력축을 구동하여 열기관을 시동할 수 있어, 현저한 중량 감소가 가능해지고 제조 비용도 감소될 수 있다.

또한, 다른 하이브리드 설계도 공지되어 있고, 특히 전동기 및 트랜스미션이 유성 기어 트레인의 구성부품에 결합되어 있으며, 교류 발전기도 배터리의 재충전을 위해 유성 기어 트레인에 기계적으로 결합되어 있는 것이 공지되어 있다. 이러한 타입의 구조에서는, 일부 경우에 동력 장치 조립체에 배터리의 재충전을 위한 2개의 공급원이 마련되는데, 이 2개의 공급원은 교류 발전기와 경우에 따라 발전기로서 사용되는 전동기이다.

그러나, 여러 구성부품의 토크 및 회전속도의 관리와 관련된 문제가 발생하고 있다.

열기관은 최대 토크 영역에서만 최대 효율로 작동하는 것으로 공지되어 있다. 그러나, 열기관에 의해 추진되는 종래의 차량에 있어서, 열기관은 유일한 동력원이고, 여러 차량 속도를 얻기 위한 여러 회전속도에서 이용된다. 이와 같이 하면, 특히 각 기어 변속 이후에 차량에 새로운 기동력을 제공하여야 하므로, 최대 토크 영역으로는 거의 작동하지 않는다.

한편으로는 저연비의 실현을 중요시하고 다른 한편으로는 전동기의 사용이 가능한 하이브리드 차량의 경우에는 다른 문제가 있다. 이 경우에는, 열기관은 일정한 토크 및 회전속도로 작동하는 동력원으로서 이용하고, 전동기는 원하는 가속을 얻는데 필요한 보조 동력을 제공할 수 있다는 것이 전제되어 있다.

따라서, 열기관이 최대 토크 영역으로 작동되도록, 전자 모듈에 의해 열기관의 토크를 조절할 수 있는 것이 중요하다. 이를 위한 간단한 해법은 하이브리드 동력 전달 체인의 다른 구성요소, 즉 전동기 및 교류 발전기의 토크와 회전속도를 전자 모듈을 통해 확실히 제어하는 것으로 이루어진다.

기존의 장치에 의해 해결되지 않는 문제는 동력 장치 조립체의 구성부품 결합용 유성 기어 트레인을 포함하는 구조에 기인한다. 실제로, 상기 구성부품은 유성 기어 트레인에 의해 서로 기계적으로 연결되어 있어, 이들의 토크 및 회전속도는 유성 기어 트레인의 내부에 있어서의 속도 구성 규칙에 의해 서로 관련되어 있다. 이는 동력 전달 면에서 유리하지만, 하나의 구성부품이 제어 기능을 담당할 때 문제가 있다. 예컨대, 전술한 구조에 있어서, 교류 발전기는 저항 토크를 유성 기어 트레인의 구성부품 중 하나에 제공할 수 있으며, 그에 따라 특히 전자 모듈이 출력축의 구동에 의한 열기관의 시동을 지령할 때, 열기관의 토크의 전달은 유성 기어 트레인의 2개의 다른 구성부품의 맞물림에 의해 행해진다. 이 때, 교류 발전기에 의해 제공되는 저항 토크는 제어의 목적으로 이용되지만, 차량 추진을 위해서는 직접 이용되지 않는다.

마찬가지로, 차량이 전동기 및 열기관에 의해 동시에 추진되는 경우, 배터리의 충전상태는 교류 발전기를 작동시킬 필요가 없을 만큼 충분할 수 있다. 이 경우에, 교류 발전기의 회전은 필연적으로 기계적인 손실을 야기하기 때문에 교류 발전기를 구동시킬 필요는 없다.

끝으로, 유성 기어 트레인의 3개의 동력 입력 또는 동력 출력 중 제한된 수의 것은 불가피하게 유성 기어 트레인의 단 하나의 구성부품에 동력 장치 조립체의 2개의 구성요소를 기계적으로 결합할 것을 필요로 하며, 이러한 결합은 대개 유성 기어 트레인의 구성부품 중 하나를 통해 전동기를 브리지에 연결함으로써 실현된다. 이러한 구성에서, 정차시 차량의 배터리 재충전 모드는 교류 발전기의 도움에 의해서만 수행될 수 있으며, 따라서 충전 기간이 크게 길어진다. 전동기를 발전기로서 이용할 수 있기를 희망하는 경우에는 전동기가 브리지로부터 분리될 수 있는 것이 중요하다.

도 1은 배터리, 전자 모듈, 전동기, 열기관, 교류 발전기, 이 교류 발전기에 관련된 블록킹용 브레이크 및 상기 열기관에 관련된 블록킹용 브레이크를 구비하는 본 발명에 따른 동력 장치 조립체의 원리를 도시하는 도면.

도 2는 본 발명에 따라 실현되는 동력 장치 조립체의 이중 유성 기어 트레인의 축방향 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 동력 장치 조립체의 동력 전달 체인에 포함된 구성요소의 동작을 모식적으로 도시하는 도면으로서, 회색 음영의 연속적인 화살표가 동력 장치 조립체의 여러 구성요소에 의해 공급되고 수신되며 전달되는 토크를 표시하는 순수한 전기 동작 모드를 나타내고 있는 도면.

도 4는 도 3과 유사한 도면으로서, 열기관이 시동 동작 모드를 나타내고 있는 본 발명에 따른 동력 장치 조립체를 보여주는 도면.

도 5는 도 2와 유사한 도면으로서, 자유로운 하이브리드 동작 모드를 나타내고 있고 교류 발전기는 배터리를 재충전하도록 회전하고 있는 본 발명에 따른 동력 장치 조립체를 보여주는 도면.

도 6은 도 2와 유사한 도면으로서, 블록킹된 하이브리드 동작 모드를 나타내고 있고 교류 발전기는 차단된 상태에 있으며 열기관은 그 토크를 브리지에 전달하고 있고 전동기는 회색 음영의 불연속적인 화살표로 표시된 보조 토크를 공급하고 있는 본 발명에 따른 동력 장치 조립체를 보여주는 도면.

도 7은 도 2와 유사한 도면으로서, 배터리의 재충전이 가능한 차량의 정지시 동작 모드 상태를 나타내고 있는 본 발명에 따른 동력 장치 조립체를 보여주는 도면.

구성요소의 결합 해제에 관한 이러한 필요성을 감안하여, 본 발명은 전술된 형태의 동력 장치 조립체를 제공하는 것으로서, 동력 장치 조립체는 제2 크라운, 제2 유성, 제2 위성 지지체 및 적어도 하나의 제2 위성 등과 같은 구성부품을 구비하는 제2 유성 기어 트레인을 포함하고, 상기 구성부품 중 하나는 전동기의 출력축에 회전식으로 연결되며, 나머지 구성부품은 차륜에 동력을 출력하기 위해 제1 유성 기어 트레인의 동력 출력부와 브리지에 연결되고, 전자 모듈은 열기관과 그 열기관의 출력축을 블록킹하는 수단의 동작을 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 특징에 의하면:

- 열기관의 출력축을 블록킹하는 수단은 열기관의 출력축에 회전식으로 연결되어 있는 엔진의 플라이 휠에 블록킹의 활성 모드 또는 비활성 모드로 작용하는 브레이크를 구비하고;

- 제1 유성 기어 트레인은 제2 유성 기어 트레인에 동축으로 되어 있고, 제1 위성 지지체는 제2 유성에 회전식으로 연결되어 있으며, 제1 크라운은 제2 크라운에 회전식으로 연결되어 있고;

- 제1 크라운과 제2 크라운은 공동의 크라운을 형성하고 있으며, 제1 위성 지지체과 제2 유성은 공동의 허브를 형성하고;

- 2개의 유성 기어 트레인에 대한 공동 크라운은 전동기의 출력축에 회전식으로 연결되어 있으며, 제1 유성은 교류 발전기의 회전자축에 회전식으로 연결되어 있고, 공동 허브는 열기관의 출력축에 연결되어 있으며, 제2 위성 지지체는 차륜에 회전식으로 연결되어 있고;

- 전자 모듈은 엔진의 플라이 휠의 브레이크가 활성화되어 있고 교류 발전기는 충전상태가 아닌 순수한 전기적 동작 모드를 지령할 수 있으며;

- 전자 모듈은 엔진의 플라이 휠의 브레이크가 비활성화되어 있고 교류 발전기는 충전상태인 경우에 전동기에 의해 열기관을 시동하는 시동 동작 모드를 지령할 수 있고;

- 전자 모듈은 전동기와 열기관이 모두 작동하고 있고 엔진의 플라이 휠의 브레이크가 비활성으로 되어 있으며 교류 발전기가 충전상태인 자유로운 하이브리드 동작 모드를 지령할 수 있고;

- 전자 모듈은 차량이 정지되어 있을 때, 열기관이 작동하고 있고 엔진의 플라이 휠의 브레이크가 비활성으로 되어 있으며 교류 발전기가 충전상태이고 전동기는 발전기로서 이용되는 배터리 재충전 동작 모드를 지령할 수 있으며;

- 동력 장치 조립체는 전자 모듈에 의해 블록킹 활성 모드 또는 비활성 모드로 제어되는 상기 교류 발전기의 회전자축 블록킹용 브레이크를 구비하고;

- 전자 모듈은 전동기와 열기관이 모두 작동하고 있고 엔진의 플라이 휠의 브레이크가 비활성화되어 있으며 상기 교류 발전기의 회전자축 브레이크가 활성화되어 있고 교류 발전기는 충전상태인 블록킹된 하이브리드 동작 모드를 지령할 수 있으며;

삭제

- 전동기의 출력축을 크라운에 회전식으로 연결하는 연결과, 제2 위성 지지체를 브리지에 회전식으로 연결하는 연결은 톱니형 벨트 또는 체인과 같은 전달 수단을 통해 실현되고;

- 동력 장치 조립체는 2개의 유성 기어 트레인, 전달 수단 및 브리지를 수납하고, 전동기, 교류 발전기 및 열기관이 고정되어 있는 공동의 하우징을 구비한다.

본 발명의 다른 특징 및 이점은 첨부된 도면을 참고하여 이하의 상세한 설명을 읽음으로써 명백해질 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 엔진 차량용 동력 장치 조립체(10)를 보여준다. 동력 장치 조립체(10)는 열기관(14)과, 전동기(16)와, 교류 발전기(18)와, 제1 유성 기어 트레인(T1)과, 제2 유성 기어 트레인(T2), 그리고 토크를 차륜에 전달하는 브리지(20) 등의 여러 구성요소를 구비하고 있다. 이들 여러 개의 구성요소는 제1 유성 기어 트레인(T1) 및 제2 유성 기어 트레인(T2)을 수납하는 하우징(12)의 근처 및 내부에 배치되어 있다.

제1 유성 기어 트레인(T1)은 제1 크라운(C1), 제1 유성(P1), 제1 위성 지지체(PS1), 제1 위성(S1) 등과 같은 복수 개의 구성부품을, 제2 유성 기어 트레인(T2)은 제2 크라운(C2), 제2 유성(P2), 제2 위성 지지체(PS2), 제2 위성(S2) 등과 같은 복수 개의 구성부품을 각각 구비하고 있다.

이들 구성부품은 열기관(14), 전동기(16), 교류 발전기(18) 및 브리지(20)에 회전식으로 연결되어 있다.

유성 기어 트레인(T1, T2)은 열기관의 출력축(22)를 통해서 열기관(14)에, 전동기(16)의 출력축(24)에 의해 지지되어 있는 출력 피니언(26)과 맞물리는 전달 벨트(29)를 통해서 전동기(16)에, 교류 발전기(18)의 회전자(도시 생략)의 출력축(28)에 의해 교류 발전기에, 그리고 브리지(20)의 입력 피니언(32)과 맞물리는 전달 벨트(30)를 통해서 브리지(20)에, 각각 회전식으로 연결되어 있다.

동력 장치 조립체(10)는 제어 및 관리용 전자 모듈(34)을 구비하는데, 이 전자 모듈(34)은 배터리(36)에 연결되어 있고, 열기관(14), 전동기(16) 및 교류 발전기(18)의 동작을 제어하며, 특히 이들의 회전 토크와 회전속도를 제어한다.

본 발명에 따르면, 열기관(14)의 출력축(22)은 전자 모듈(34)에 의해 제어되는 블록킹용 브레이크(40)에 의해 블록킹될 수 있는 플라이 휠(38)을 구비하고 있다. 이와 유사하게, 교류 발전기(18) 회전자(도시 생략)의 출력축(28)도 전자 모듈(34)에 의해 제어될 수 있는 블록킹용 브레이크(42)에 의해 블록킹될 수 있다. 이들 블록킹용 브레이크(40, 42)를 통해 유성 기어 트레인(T1, T2)의 임의의 구성부품을 간접적으로 블록킹할 수 있다.

이러한 구성은 동력 장치 조립체가 다른 구조와는 달리 단 하나의 전동기만을 구비하는 것이 아니기 때문에 특히 유리하다. 교류 발전기 및 그와 관련된 전자 장치의 비용을 비롯하여 제조 비용이 그만큼 감소된다.

도 2는 유성 기어 트레인(T1, T2)의 동축 구조를 상세히 보여주는 측방향 단면도이다. 본 발명에 따르면, 유성 기어 트레인(T1, T2)의 각 크라운(C1, C2)은 공동의 크라운(C)을 형성하며, 이 크라운(C)은 전동기(16)에 의해 구동되는 치형의 전달 벨트(29)에 한 세트의 외측 치형부(44)를 통해 맞물린다.

크라운(C)은 제1 유성 기어 트레인(T1)의 제1 위성(S1)과 제2 유성 기어 트레인(T2)의 제2 위성(S2)과 각각 맞물리는 두 세트의 내측 치형부(46, 48)를 구비하고 있다. 제1 위성(S1)은 교류 발전기(18)의 출력축(28)에 회전식으로 연결되어 있는 제1 유성(P1)과 맞물리고, 허브(M)에 속하는 제1 위성 지지체(PS1)에 의해 지지되며, 허브 중 축선에 인접한 부분(50)이 제2 유성 기어 트레인(T2)의 제2 유성(PS2)을 구성하고, 인접하는 부분(52)이 열기관(14)의 출력축(22)에 회전식으로 연결되어 있다.

또한, 제2 유성 기어 트레인(T2)의 제2 위성 지지체(PS2)는 그 일부분(54)에 한 세트의 치형부(56)가 마련되어 있고, 이 치형부(56)는 운동을 차륜에 전달하도록 브리지(20)를 구동시키는 전달 벨트(30)와 맞물린다.

제2 위성 지지체(PS2)는, 그 일부분(54)의 보어(55)에 제1 유성 기어 트레인(T1)의 제1 위성 지지체(PS1)와 제2 유성 기어 트레인(T2)의 제2 유성(P2)으로 이루어지는 허브(M)의 회전 안내를 가능하게 하는 베어링이 마련되어 있다. 크라운(C)은 큰 길이를 갖기 때문에, 위성(S1, S2)은 위성(S1, S2)의 각도방향의 작은 편향을 허용하고 블록킹의 모든 위험을 회피할 수 있게 하는 볼 레이스(58, 60)에 의해 위성 지지체(PS1, PS2)의 축 상에 장착된다.

또한, 허브(M)는 하우징(12)을 관통하고, 그 출력축(52)도 역시 허브(M)의 각도방향의 작은 편향을 허용하는 볼 레이스를 구비하는 베어링(62)에 의해 지지되어 있다.

2개의 유성 기어 트레인은, 한편에서는 두 유성 기어 트레인(T1, T2)의 전체가 작은 반경방향 점유체적을 가질 수 있게 하는 크라운(C)에 의해 결합되고, 다른 한편에서는 작은 종방향 점유체적을 얻을 수 있게 하는 제1 위성 지지체(PS1)와 제2 유성(P2)으로 이루어진 허브(M)에 의해 결합되는 것이 유리하다.또한, 이러한 장치는 유지보수의 관점에서 특히 유익한데, 이는 두 유성 기어 트레인(T1, T2)이 크라운(C) 내에 배치되어 있어, 고장의 경우에는 두 유성 기어 트레인(T1, T2) 전체를 간단하고 신속하게 분해할 수 있기 때문이다. 이는 특히 전동기(16)와 브리지(20)와의 연결 수단이 전달 벨트(29, 30)라는 사실에 의해 보다 쉽게 실현 가능하다.

마찬가지로, 허브(M)는 플라이 휠(38) 상에 있는 고정부를 분리함으로써 열기관(14)의 출력축(22)으로부터 용이하게 결합 해제될 수 있다.후술하는 도 3 내지 도 7의 설명에 있어서, 전술된 본 발명의 세부 구성부품에 관해서는 도 1 및 도 2의 도면 부호를 인용한다.도면과 여러 동작 모드의 이해를 돕기위해, 전자 모듈(34)의 다른 구성요소에 대한 접속은 스위치를 구비한 회로에 의해 개략적으로 예시되어 있는데, 상기 회로는 스위치가 개방위치에 있는지 또는 폐쇄위치에 있는지에 따라 판독기로 하여금 구성요소가 제어되고 있는지, 또는 전력이 공급되어 있는지, 및/또는 충전중인지를 식별할 수 있게 한다.

본 발명에 따르면, 도 3은 순수한 전기적 모드시에 있어서 동력 장치 조립체(10)의 동작을 보여준다. 이 구성에서, 전동기(16)는 전자 모듈(34)에 의해 제어되고, 출력축(24) 상에 부착되어 있는 출력 피니언(26)과 전달 벨트(29)를 통해 2개의 유성 기어 트레인(T1, T2)의 크라운(C)에 토크를 제공한다. 열기관(14)이 헛되게 구동되지 않도록 하기 위해, 플라이 휠(38)의 브레이크(40)는 활성화되고, 열기관(14)의 출력축(22)은 블록킹된다. 이를 통해, 허브(M)는 부동(不動)상태로 되고 제1 위성(S1)은 그 축을 중심으로 자유롭게 회전하는 데, 그 이유는 교류 발전기(18)가 충전상태에 있지 않고 교류 발전기의 출력축(28)이 브레이크를 걸려있지 않은, 즉 브레이크(42)가 비활성 상태에 있기 때문이다.

따라서, 토크는 전동기(16)의 출력축(24)으로부터 출력 피니언(26)에, 전달 벨트(29)에, 크라운(C)에, 한 세트의 내측 치형부(48)를 매개로 하여 제2 위성(S2)에, 제2 위성 지지체(PS2)에 전달되고, 제2 위성 지지체(PS2)의 치형부(56)는 입력 피니언(32)을 통해 브리지(20)를 구동하는 전달 벨트(30)에 토크를 전달할 수 있게 한다.

이러한 구성은 열기관(14)을 완전하게 블록킹할 수 있어, 열기관(14)이 정지상태인 경우 기계적인 손실이 발생되지 않게 되기 때문에 특히 유리하다.

또한, 열기관(14)의 출력축(22)은 블록킹되어 있고, 그에 따라 제1 유성 기어 트레인(T1)은 전동기와 차륜 사이의 감속기를 구성한다.

끝으로, 교류 발전기(18)는 충전상태에 있지 않고 자유롭게 회전되므로, 교류 발전기에 전달되는 출력되는 토크는 무시할 수 있을 정도이다.

도 4는 열기관(14)이 시동 동작 모드에 있는 동력 장치 조립체(10)를 보여준다.

이 시동 동작 모드는 순수한 전기적 모드의 종료시에 일어난다. 시동 동작 모드의 주요 특징을 다시 살펴보면, 일단 차량이 발진하는 경우 열기관(14)은 전동기(16)와 브리지(20)를 구동하는 차량의 관성에 의해 시동될 수 있다.

이러한 구성에 있어서, 전자 모듈(34)은 교류 발전기(18)의 충전 개시를 지령하고, 이는 제1 유성(P1)에 대해 저항 토크를 인가하는 효과를 갖는다. 또한, 열기관(14)의 플라이 휠(38)의 블록킹용 브레이크(40)는 비활성 상태에 있고, 전자 모듈(34)은 열기관(14)의 동작에 필요한 모든 파라미터, 예컨대 점화 전압의 인가, 연료 공급, 분사 장치로의 연료 공급 등을 관리한다.

이러한 구성에서, 토크는 도 3을 참조하여 전술한 바와 같이 전동기(16)로부터 유성 기어 트레인(T1, T2) 전체의 크라운(C)에 전달된다. 허브(H)와 제1 유성(P1)은 함께 회전할 수 있고, 제1 위성(S1)에 대해 저항 토크를 인가하므로, 전동기(16)로부터 도출된 토크의 일부는 제1 유성(P1) 상의 제1 위성(S1)의 반작용에 의해 허브(M)에 전달된다. 허브(M)의 회전에 의해 열기관(14)의 출력축(22)이 구동됨으로써 열기관의 시동이 가능해진다. 열기관(14)의 속도가 증대됨에 따라, 허브(M)의 회전속도는 증대되고 교류 발전기(18)에 의해 반대로 인가되는 저항 토크는 감소된다.

이러한 구성에 의하면, 종래의 시동기를 사용하지 않고 열기관(14)을 유리하게 시동할 수 있다. 여기에서, 교류 발전기(18)는 그 기능이 실질적으로 제어 기능인 감속기로서 이용된다. 실제로, 교류 발전기를 충전상태에 있게 제어하는 것은 전류를 발생시키려는 의도도 있지만, 허브(M)와 그에 따라 열기관의 출력축(22)이 구동될 수 있게 하도록 제1 유성(P1)의 회전을 감속하려는 것이 주 목적이다.

또한, 이러한 구성은 교류 발전기 브레이크(42)를 이용하지 않고서도, 그것이 활성 상태에 있는 경우에는 허브(M)를 구동할 수 있게 되지만, 열기관(14)을 시동하고 허브(M)가 크라운(C)의 회전속도와 실질적으로 동일한 회전속도에 도달했을 때 치형부의 열화를 초래할 위험이 있다.

끝으로, 브리지(20)를 제2 위성 지지체(PS2)에 연결함으로써, 제1 위성(S1)과 허브(M)를 통해 시동을 목적으로 열기관(14)의 출력축(22)을 구동하기 위해 크라운(C)에 전달되는 토크의 공급원으로서 차량의 관성을 이용할 수 있다. 이와 같이 차량의 관성을 이용함으로써, 전동기(16)에 의해 소비되는 전력을 제한할 수 있고, 그에 따라 배터리(36)의 지속 시간을 증대시킬 수 있다.

도 5는 자유로운 하이브리드 동작 모드시에 있어서의 동력 장치 조립체(10)의 구성을 도시하고 있다. 이러한 구성에 있어서, 열기관(14)이 동작중이고 토크를 그 출력축(22)에, 나아가 허브(M)에 전달하는 것을 제외하고는, 동력 장치 조립체(10)는 도 4와 관련하여 설명된 것과 유사하게 작동한다.

상기 토크는 제1 위성(S1)에 의해 한편에서는 유성 기어 트레인(T1, T2)에 대한 공동의 크라운(C) 사이에서 분배되고, 다른 편에서는 교류 발전기(18)의 회전자 출력축(28)에 회전식으로 연결되어 있는 제1 유성(P1)에 분배된다.

이와 같이, 전자 모듈(34)에 의한 관리의 덕택으로 교류 발전기(18)의 저항 토크를 극복하여, 배터리(36)를 재충전할 수 있는 전류의 발생을 발생시킬 수 있다. 또한, 열기관(14)에 의해 허브(M)로 전달되는 토크는 유성 기어 트레인(T1, T2)에 대한 공동의 크라운(C)에서 전동기(16)에 의해 출력되는 토크와 조합되어, 제2 위성(S2), 제2 위성 지지체(PS2), 브리지(20)에 전달된다.

이러한 구성은 열 에너지를 발생시키는 토크 공급원과 전기로부터 발생하는 토크 공급원에 의해 차량을 확실히 추진할 수 있고, 전자 모듈(34)이 동력 장치 조립체(10) 성능의 최적화를 보장하기 때문에 특히 유리하다. 실제, 전자 모듈(34)은 한편으로는 전동기(16)로의 공급을 제어하여 토크 및 속도를 조정할 수 있고, 또한 교류 발전기(18)의 토크, 그에 따른 속도의 조절도 보장하여, 제1 유성 기어 트레인(T1)의 토크 분배 성능에 적절히 작용하도록 열기관(14)에 의해 전달되는 토크를 분배시킬 수 있다. 이와 같이, 열기관(14)은 최대 토크 영역 및 최고 효율의 영역으로 유지될 수 있다. 동력 전달 체인의 효율도 그만큼 최적화된다. 이러한 동작 모드에서는 직렬 하이브리드와 마찬가지로 열기관을 제어할 수 있고, 그 결과 열기관의 출력 중 일부가 차륜에 전달되므로 문제를 초래하지 않아, 연비 및 도시 오염의 최적화의 관점에서 유리하다. 이 동력 중 일부를 직접 전달함으로써, 작은 크기의 전기 기구를 사용할 수 있게 된다.

또한, 상기 동작 모드에서는 차량의 추진과 교류 발전기(18)에 의한 배터리(36)의 재충전을 동시에 행할 수 있어, 교류 발전기(18)는 충전상태에 있다.

끝으로, 배터리의 충전상태를 통해 교류 발전기를 그 최고 효율에 상응하는 회전 속도 범위로 우선적으로 작동시킬 필요가 있는 경우에는, 열기관(14)을 최대 토크 영역 및 최고 효율로 사용하지 않도록 할 수 있다.

도 6은 블록킹된 하이브리드 모드로 작동하는 동력 장치 조립체(10)의 구성을 보여준다. 이 구성은 교류 발전기(18)의 회전자 출력축(28)의 브레이크(42)가 블록킹되어 있는 점이 전술한 것과 다르다. 이 경우에서, 열기관(14)에서 발생되어 허브(M)로 전달되는 토크는 블록킹된 교류 발전기의 출력축(28)의 제1 유성(P1) 상에서 회동하는 제1 위성(S1)을 통해 크라운(C)에 모두 전달된다. 상기 토크는 전동기(16)에 의해 전달되는 토크에 필요에 따라 부가될 수 있고, 사용자가 요구하는 경우에 제2 위성(S2)을 통해 제2 유성 기어 트레인(T2)의 제2 위성 지지체(PS2)에 전달된 후 브리지(20)에 전달된다.

이 구성은 특히 교외의 도로 또는 고속도로를 주행하는 것과 같은 소정의 조건에서 열기관(14)에 의해 공급되는 토크 전체를 브리지(20)에 전달할 수 있기 때문에 특히 유리하다. 이러한 동력 장치 조립체가 장착된 차량의 동작은, 열기관의 토크가 교류 발전기의 회전자축의 블록킹에도 불구하고 전동기에 의해 제어될 수 있기 때문에, 교외의 도로 및 고속도로 상에서 연비가 우수한 병렬 하이브리드의 동작이다. 전동기(16)를 보조 토크 공급원으로서 이용할 수 있으므로, 동력 장치 조립체(10)를 통해 차량에 큰 가속력을 가할 수 있다. 그와 반대로, 전동기가 충전상태에 있는 경우, 전동기는 배터리를 재충전하는 데 이용될 수 있고 브레이크로서 작용할 수 있다.

도 7은 배터리(36)를 재충전하는 모드에 있는 정지 동작 모드로 작동하는 동력 장치 조립체(10)의 구성을 보여준다. 이 구성에서, 차량은 정지되어 있고, 따라서 브리지(20)와 제2 유성 기어 트레인(T2)의 제2 위성 지지체(PS2)는 회전하고 있지 않다. 열기관(14)의 토크는 허브(M)에 전달되며, 그 토크의 일부는 제1 위성(S1)과 제1 유성(P1)의 맞물림에 의해 교류 발전기(18)에 전달되고, 상기 토크의 나머지는 크라운(C)과 전달 벨트(29)의 맞물림에 의해 전동기(16)에 전달되어, 전동기(16)의 출력축(24)을 회전 구동시킨다.

이어서, 전자 모듈(34)은 전동기(16)를 발전기로서 이용할 것을 지령하고, 배터리(36)의 재충전은 전동기(16)가 교류 발전기(18)의 역할과 유사한 발전기로서 기능하므로 그만큼 개선된다.

전자 모듈(34)은 작동 중인 구성부품의 회전속도에 따라 공급되는 토크를 조절하여, 전동기(16)와 교류 발전기(18)가 어떤 비율로 재충전에 기여해야 하는지를 결정한다. 실제로, 전동기(16)에 관해서도 교류 발전기(18)에 관한 것과 마찬가지로, 회전 운동에 대항하는 저항 토크는 전자 모듈(34)이 그 회전자에게 전달하는 전압의 함수이다.

이러한 구성은, 전지가 고갈되었을 때 그리고 특히 도시에서의 이용 조건에서 순수한 전기적 동작으로 동력 장치 조립체(10)를 이용할 필요가 있을 때 신속한 재충전을 수행할 수 있도록, 전술된 각 모드보다 크게 향상된 속도로 배터리(36)를 신속하게 재충전할 수 있기 때문에 특히 유리하다.

보다 일반적으로, 이러한 하이브리드 동력 장치 조립체 구조는 사용상의 불쾌감을 유발하는 육중한 기계 조립체의 조작 없이 한 동작 모드로부터 다른 동작 모드로 전이시킬 수 있기 때문에 특히 유리하다. 예컨대, 순수한 전기적 동작 모드로부터 열기관(14)을 시동하는 시동 동작 모드로의 전이는, 교류 발전기(18)의 충전 위치로의 간단한 절환을 통해 수행된다. 또한, 자유로운 하이브리드 동작 모드의 위치는 열기관(14)이 시동되자마자 획득된다. 그리고, 교류 발전기(18)의 브레이크(42)를 간단히 블록킹함으로써, 동력 장치 조립체(10)를 블록킹된 하이브리드 동작 모드로 전이되게 할 수 있다. 배터리(36)의 재충전 모드는 차량이 처음에 순수한 전기적 동작 모드에 있는 정지상태로부터 매우 간단히 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 동력 장치 조립체는 2개의 유성 기어 트레인을 구비하는 구조를 사용하여 열기관이나 전동기와 차륜 사이에 두 가지의 상이한 감소비를 제공할 수 있고, 그에 따라 적당한 최소 크기를 갖는, 나아가 중량 저감 효과가 있는 열기관과 전동기를 사용할 수 있기 때문에 특히 유리하다. 또한, 유성 기어 트레인의 구성부품의 블록킹에 의하여 감속비를 선택함으로써, 제로에서부터 블록킹된 하이브리드 동작 모드에서 얻어지는 최대 속도에 이르는 광범위한 속도를 차량에 제공할 수 있다.

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Claims

복수의 모드로 작동하는 하이브리드 엔진 차량의 동력 장치 조립체(10)로서,

전동기(16)의 출력축(24)과, 열기관(14)의 출력축(22)과, 교류 발전기(18)의 회전자축(28), 그리고 브리지(20)를 통해 차륜에 동력을 전달하기 위한 동력의 출력부에 회전식으로 연결되는 제1 크라운(C1), 제1 유성(P1), 제1 위성 지지체(PS1) 및 하나 이상의 제1 위성(S1)을 구비하는 제1 유성 기어 트레인(T1)과;

배터리(36)의 충전을 관리하는 전자 모듈(34)과;

제2 크라운(C2), 제2 유성(P2), 제2 위성 지지체(PS2) 및 하나 이상의 제2 위성(S2)을 구비하고, 이들 구성부품 중 하나는 전동기(16)의 출력축(24)에 회전식으로 연결되며, 나머지 구성부품은 제1 유성 기어 트레인(T1)의 동력 출력부와 브리지(20)에 연결되는 제2 유성 기어 트레인(T2)

을 포함하고, 상기 전자 모듈(34)은 토크 및 속도를 제어함으로써 배터리를 재충전시킬 수 있는 교류 발전기(18)와 전동기(16)의 동작을 제어하고, 열기관(14)과 그 열기관의 출력축(22)을 블록킹하는 수단의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 동력 장치 조립체.
제1항에 있어서, 열기관(14)의 출력축(22)을 블록킹하는 수단은 열기관(14)의 출력축(22)에 회전식으로 연결되어 있는 엔진의 플라이 휠(38)에 블록킹의 활성 모드 또는 비활성 모드로 작용하는 브레이크(40)를 구비하는 것을 특징으로 하는 동력 장치 조립체.
제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 유성 기어 트레인(T1)은 제2 유성 기어 트레인(T2)에 동축으로 되어 있고, 제1 위성 지지체(PS1)는 제2 유성(P2)에 회전식으로 연결되어 있으며, 제1 크라운(C1)은 제2 크라운(C2)에 회전식으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 동력 장치 조립체.
제3항에 있어서, 제1 크라운(C1)과 제2 크라운(C2)은 공동의 크라운(C)을 형성하고 있으며, 제1 위성 지지체(PS1)와 제2 유성(P2)은 공동의 허브(M)를 형성하는 것을 특징으로 하는 동력 장치 조립체.
제4항에 있어서, 상기 2개의 유성 기어 트레인(T1, T2)에 대한 상기 공동 크라운(C)은 전동기(16)의 출력축(24)에 회전식으로 연결되어 있으며, 제1 유성(P1)은 교류 발전기(18)의 회전자축(28)에 회전식으로 연결되어 있고, 공동 허브(M)는 열기관(14)의 출력축(22)에 연결되어 있으며, 제2 위성 지지체(PS2)는 차륜에 회전식으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 동력 장치 조립체.
제2항에 있어서, 전자 모듈(34)은, 엔진의 플라이 휠(38)의 브레이크(40)가 활성화되어 있고 교류 발전기(18)가 충전상태가 아닌 순수한 전기적 동작 모드를 지령할 수 있는 것을 특징으로 하는 동력 장치 조립체.
제2항에 있어서, 전자 모듈(34)은, 엔진의 플라이 휠(38)의 브레이크(40)가 비활성화되어 있고 교류 발전기(18)가 충전상태인 경우에 전동기(16)에 의해 열기관(14)을 시동하는 시동 동작 모드를 지령할 수 있는 것을 특징으로 하는 동력 장치 조립체.
제2항에 있어서, 전자 모듈(34)은, 열기관(14)과 전동기(16)가 모두 작동하고 있고 엔진의 플라이 휠(38)의 브레이크(40)가 비활성으로 되어 있으며 교류 발전기(18)가 충전상태인 자유로운 하이브리드 동작 모드를 지령할 수 있는 것을 특징으로 하는 동력 장치 조립체.
제4항에 있어서, 전자 모듈(34)은, 차량이 정지되어 있을 때, 열기관(14)이 작동하고 있고 엔진의 플라이 휠(38)의 브레이크(40)가 비활성으로 되어 있으며 교류 발전기(18)가 충전상태이고 전동기(16)는 전류 발생기로서 이용되는 배터리 재충전 동작 모드를 지령할 수 있는 것을 특징으로 하는 동력 장치 조립체.
제1항 또는 제2항에 있어서, 전자 모듈(34)에 의해 블록킹 활성 모드 또는 비활성 모드로 제어되는 교류 발전기(18)의 회전자축(28) 블록킹용 브레이크(42)를 구비하는 것을 특징으로 하는 동력 장치 조립체.
제2항에 있어서, 전자 모듈(34)은, 열기관(14)과 전동기(16)가 모두 작동하고 있고 엔진의 플라이 휠(38)의 브레이크(40)가 비활성화되어 있으며 교류 발전기(18)의 회전자축(28) 브레이크(42)가 활성화되어 있고 교류 발전기(18)는 충전상태인 블록킹된 하이브리드 동작 모드를 지령할 수 있는 것을 특징으로 하는 동력 장치 조립체.
제5항에 있어서, 전동기(16)의 출력축을 크라운(C)에 회전식으로 연결하는 연결과, 제2 위성 지지체(PS2)를 브리지에 회전식으로 연결하는 연결은 톱니형 벨트 또는 체인과 같은 전달 수단(29, 30)을 통해 실현되는 것을 특징으로 하는 동력 장치 조립체.
제12항에 있어서, 상기 2개의 유성 기어 트레인(T1, T2), 전달 수단(29, 30) 및 브리지(20)를 수납하고, 전동기(16), 교류 발전기(18) 및 열기관(14)이 고정되어 있는 공동의 하우징(12)을 구비하는 것을 특징으로 하는 동력 장치 조립체.