KR100756694B1 - 하이브리드 전기차용 듀얼모드 파워트레인 및 그 작동방법 - Google Patents

하이브리드 전기차용 듀얼모드 파워트레인 및 그 작동방법 Download PDF

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이장무
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Abstract

본 발명에 의하면, 하이브리드 차량의 파워트레인에 있어서, 파워트레인의 효율이 좋은 변속비 영역을 보다 넓게 확보할 수 있도록 함과 아울러, 변속비의 변화에 따라 파워트레인을 상대적으로 효율이 좋은 상태로 작동시킬 수 있도록 한다.

Description

하이브리드 전기차용 듀얼모드 파워트레인 및 그 작동방법{power train of an hybrid electric vehicle and manipulating method thereof}
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 전기차용 듀얼모드 파워트레인의 구성을 도시한 도면,
도 2는 도 1의 파워트레인이 제1모드로 작동하는 상태를 도시한 도면,
도 3은 도 1의 파워트레인이 제2모드로 작동하는 상태를 도시한 도면,
도 4는 도 1의 파워트레인의 레버해석도,
도 5는 제1모드에서 가능한 한 개의 미케니컬포인트를 형성하는 상태를 설명한 레버해석도,
도 6은 제2모드에서 가능한 두 개의 미케니컬포인트를 형성하는 상태를 설명한 레버해석도,
도 7은 본 발명의 제어방법에 따라 제어하게 되는 경우의 변속비에 따른 파워트레인의 효율을 도시한 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>
1; 제1모터제너레이터 3; 제1선기어
5; 엔진 7; 제1캐리어
9; 구동륜 11; 제1링기어
13; 제1유성기어세트 15; 제2선기어
17; 제2모터제너레이터 19; 제2캐리어
21; 제2링기어 23; 제2유성기어세트
25; 제1클러치 27; 제2클러치
29; 파워트레인케이스
본 발명은 하이브리드 전기차용 듀얼모드 파워트레인 및 그 작동방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 차량의 변속비에 따라 파워트레인의 보다 효율적인 동력전달이 이루어질 수 있도록 하는 기술에 관한 것이다.
유성기어세트와 모터제너레이터 2개를 사용하는 하이브리드 동력 전달장치는 별도의 변속기 없이 상기 모터제너레이터의 속도를 제어함으로써 전기적으로 작동하는 무단변속기의 역할을 수행할 수 있으며, 상기 모터제너레이터의 속도를 제어함으로써 모터모드, 엔진모드, 하이브리드모드 및 회생제동모드 등을 구현할 수 있고, 필요에 따라 엔진의 온/오프 제어가 가능하여 연비를 더욱 향상시킬 수 있으며, 제동시 마찰브레이크의 사용을 최소화하여 회생제동효율을 높일 수 있다.
종래 모터제너레이터 2개를 사용하는 하이브리드 전기자동차용 파워트레인으로서 널리 사용되고 있는 방식은, 두 모터제너레이터 중 어느 한 모터제너레이터가 출력축에 고정적으로 직결되어 있는 입력분기식(input split type) 구조를 가지 고 있다.
상기와 같은 구조의 파워트레인은 출력축에 직결되지 않은 나머지 모터제너레이터의 속도가 0가 되는 미케니컬포인트(Mechanical point)를 형성하는 변속비에서 효율이 가장 좋고, 이를 기준으로 변속비가 증가하거나 감소하면 효율이 떨어지기 시작하며, 변속비가 감소하는 경우의 효율의 저하가 변속비가 증가하는 경우에 비해 급격히 커진다.
즉, 변속비가 상기 미케니컬포인트를 넘어서 작아짐에 따라(차속이 증가함에 따라) 파워트레인의 효율이 급격히 저하되는 문제점을 가지고 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점에 착안하여 안출된 것으로서, 파워트레인의 효율이 좋은 변속비 영역을 보다 넓게 확보할 수 있도록 함과 아울러, 변속비의 변화에 따라 파워트레인을 상대적으로 효율이 좋은 상태로 작동시킬 수 있도록 한 하이브리드 전기차용 듀얼모드 파워트레인 및 그 작동방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 하이브리드 전기차용 듀얼모드 파워트레인은
제1모터제너레이터에 연결된 제1선기어와, 엔진에 연결된 제1캐리어와, 구동륜에 연결된 제1링기어를 구비한 제1유성기어세트와;
상기 제1링기어에 연결된 제2선기어와, 제2모터제너레이터에 연결된 제2캐 리어와, 제2링기어를 구비한 제2유성기어세트와;
상기 제1유성기어세트의 제1선기어와 상기 제2유성기어세트의 제2링기어 사이를 연결 및 단절시키도록 설치된 제1클러치와;
상기 제2링기어를 고정된 상태와 회전가능 상태로 전환하도록 설치된 제2클러치;
를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명 하이브리드 전기차용 듀얼모드 파워트레인의 작동방법은
상기 제1모터제너레이터의 속도가 0이 되는 미케니컬포인트를 기준으로 변속비가 높은 영역에서는 상기 제1클러치를 단절시키고 제2클러치를 연결시키며, 변속비가 낮은 영역에서는 상기 제1클러치를 연결시키고 제2클러치를 단절시키는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 1을 참조하면, 본 발명 실시예의 파워트레인은 제1모터제너레이터(1)에 연결된 제1선기어(3)와, 엔진(5)에 연결된 제1캐리어(7)와, 구동륜(9)에 연결된 제1링기어(11)를 구비한 제1유성기어세트(13)와; 상기 제1링기어(11)에 연결된 제2선기어(15)와, 제2모터제너레이터(17)에 연결된 제2캐리어(19)와, 제2링기어(21)를 구비한 제2유성기어세트(23)와; 상기 제1유성기어세트(13)의 제1선기어(3)와 상기 제2유성기어세트(23)의 제2링기어(21) 사이를 연결 및 단절시키도록 설치된 제1클러치(25)와; 상기 제2링기어(21)를 고정된 상태와 회전가능 상태로 전환하도록 설 치된 제2클러치(27)를 포함하여 구성된다.
본 실시예에서, 상기 제2클러치(27)는 파워트레인케이스(29)와 상기 제2유성기어세트(23)의 제2링기어(21) 사이에 설치되어, 상기 제2링기어(21)를 파워트레인케이스(29)에 대하여 고정된 상태와 회전이 가능한 상태를 전환할 수 있도록 하고 있다.
물론, 상기 제2클러치(27)는 상기 파워트레인케이스(29) 이외의 별도의 차체부위 등과 상기 제2링기어(21) 사이에 설치될 수도 있다.
상기 제1유성기어세트(13), 제2유성기어세트(23)는 싱글피니언유성기어로 이루어져 있다.
상기한 바와 같이 구성된 파워트레인은 상기 제1클러치(25)와 제2클러치(27)의 상태에 따라 입력분기모드(input split mode)인 제1모드와 복합분기모드(compound split mode)인 제2모드로 작동될 수 있다.
이하에서는 도 2와 같이 제1클러치(25)가 단절상태이고 제2클러치(27)가 연결상태인 경우를 제1모드로 칭하고, 도 3과 같이 상기 제1클러치(25)가 연결상태이고 상기 제2클러치(27)가 단절상태인 경우를 제2모드로 칭한다.
상기 파워트레인을 레버해석도로 표현하면 도 4와 같고, 상기 파워트레인이 제1모드로 작동되는 경우 중의 일부 상태를 레버해석도로 표현하면 도 5와 같다. 도 5는 제1모터제너레이터(1)의 속도가 0인 미케니컬포인트(M1-1)를 형성하는 변속비의 경우를 도시하고 있다.
한편, 본 모드에서 상기 제2모터제너레이터(17)의 속도가 0인 경우는 출력 이 0인 경우로서 의미가 없으므로 설명 및 그 도시를 생략한다.
즉, 본 발명의 파워트레인이 제1모드인 상태에서는 변속비의 변화에 따라 도 5에 표시된 1개의 미케니컬포인트(M1-1)를 가지게 되며; 상기 제1모터제너레이터(1)와 제2모터제너레이터(17) 사이에 배터리가 개재되지 않고 어느 일측에서 발전된 전기가 타측에서 모두 소모되어 발전량과 소모량의 합이 0이 되며 모터제너레이터의 속도를 0으로 유지하기 위한 에너지손실을 무시한다는 조건하에서, 상기 미케니컬포인트에서의 효율은 최대치인 1이 되며; 이는 도 7의 변속비 변화에 따른 파워트레인의 효율 그래프에서 확인할 수 있다.
도 7에서 제1모드의 효율을 나타내는 곡선은 1번 최대치인 1을 가지는 상태로 도시되어 있고, 상기 효율이 최대치인 위치가 파워트레인이 제1모드에서 가지는 한 개의 미케니컬포인트(M1-1)를 나타내는 것이며, 모드변환점으로 표시된 위치로부터 변속비가 커지는 영역에서 후술하는 제2모드보다 효율이 우수함을 알 수 있다.
참고로, 도 5와 6에서, O=출력, I=입력(엔진), MG1=제1모터제너레이터, MG2=제2모터제너레이터를 각각 나타내며,
I는 O로부터 단위거리 1만큼 떨어져 있으며,
MG1이 O로부터 떨어져 있는 거리를
Figure 112006040535872-pat00001
, MG2가 O로부터 떨어져 있는 거리를
Figure 112006040535872-pat00002
라 할 때, 제1모드에서
Figure 112006040535872-pat00003
=2.5,
Figure 112006040535872-pat00004
=0에 위치하고, 제2모드에서
Figure 112006040535872-pat00005
=2.5,
Figure 112006040535872-pat00006
=1.5에 위치한다. 이와 같이 상기 제1모드는
Figure 112006040535872-pat00007
가 0로서 제2모터제너레이터(17)가 출력축 과 직결된 상태이므로 입력분기모드임을 알 수 있고, 제2모드는
Figure 112006040535872-pat00008
와
Figure 112006040535872-pat00009
가 제로(0)가 아니므로 복합분기모드임을 알 수 있다.
물론, 상기 I, MG1, MG2가 상기 O로부터 떨어져 있는 거리는 실제 파워트레인에서 기어비에 상응한다.
한편, 상기 도 7의 그래프는 다음의 수학식 1에 의해 도시된다.
Figure 112006040535872-pat00010
여기서,
Figure 112006040535872-pat00011
는 파워트레인 효율,
Figure 112006040535872-pat00012
,
Figure 112006040535872-pat00013
는 각 모드별로 상기의 값,
Figure 112006040535872-pat00014
는 변속비
Figure 112006040535872-pat00015
,
Figure 112006040535872-pat00016
는 상기 제1모터제너레이터(1)와 제2모터제너레이터(17)가 각각 충전할 때와 방전(소모)할 때의 효율로서, 여기서 그 값은 0.949와 1/0.954가 사용되었으며, 충전시에는 1보다 작은 값(여기서는 0.949), 방전시에는 1보다 큰 값(여기서는 1/0.954)이 된다.
상기 파워트레인이 제2모드로 작동되는 경우 중의 일부 상태를 레버해석도로 표현하면 도 6과 같다. 도 6에서 상측은 제1모터제너레이터(1)의 속도가 0인 미케니컬포인트(M2-1)를 형성하는 변속비의 경우를 도시하고 있고, 하측은 제2모터 제너레이터(17)의 속도가 0인 미케니컬포인트(M2-2)를 형성하는 변속비의 경우를 도시하고 있다.
따라서, 본 발명의 파워트레인이 제2모드인 상태에서는 변속비의 변화에 따라 도 6에 표시된 2개의 미케니컬포인트(M2-1, M2-2)를 가지게 되며; 상기 제1모터제너레이터(1)와 제2모터제너레이터(17) 사이에 배터리가 개재되지 않고 어느 일측에서 발전된 전기가 타측에서 모두 소모되어 발전량과 소모량의 합이 0이 되며 모터제너레이터의 속도를 0으로 유지하기 위한 에너지손실을 무시한다는 조건하에서, 상기 두 미케니컬포인트에서의 효율은 최대치인 1이 되며; 이는 도 7의 변속비 변화에 따른 파워트레인의 효율 그래프에서 확인할 수 있다.
도 7에서 제2모드의 효율을 나타내는 곡선은 2번 최대치인 1을 가지는 상태로 도시되어 있고, 상기 효율이 최대치인 위치가 파워트레인이 제2모드에서 가지는 미케니컬포인트(M2-1, M2-2)를 나타내는 것이며, 모드변환점으로 표시된 위치에서는 상기 제1모드의 효율이 최대치임과 동시에 제2모드의 효율이 최대치인 경우로서 미케니컬포인트 M1-1와 M2-1가 서로 일치하고 있음을 알 수 있고, 제2모드의 효율은 상기 미케니컬포인트 M2-2가 위치한 상기 모드변환점의 좌측에서 상기 제1모드보다 효율이 우수한 것을 알 수 있다.
한편, 상기 모드변환점은 상기 제1모드에서 제1모터제너레이터(1)의 속도가 0가 되는 변속비에 상응하고, 상기 제2모드에서도 상기 제1모터제너레이터(1)의 속도가 0인 변속비에 상응한다.
따라서, 본 발명에서는 상기 제1모터제너레이터(1)의 속도가 0이 되는 미케 니컬포인트인 모드변환점를 기준으로 변속비가 높은 영역에서는 상기 제1클러치(25)를 단절시키고 제2클러치(27)를 연결시켜서 제1모드로 작동시키며, 변속비가 낮은 영역에서는 상기 제1클러치(25)를 연결시키고 제2클러치(27)를 단절시켜서 제2모드로 작동시킴으로써, 파워트레인의 효율이 좋은 변속비 영역을 보다 넓게 확보할 수 있도록 함과 아울러, 변속비의 변화에 따라 파워트레인을 상대적으로 효율이 좋은 상태로 작동시킬 수 있도록 한다.
즉, 차속이 저속이어서 높은 변속비가 요구될 때는 제1모드로 작동되도록 하고, 차속이 고속이어서 낮은 변속비가 요구될 때에는 제2모드로 작동되도록 하는 것이다.
한편, 상기 제1모드 및 제2모드에서 상기 제1모터제너레이터(1)와 제2모터제너레이터(17)는 파워트레인의 변속비에 따라 충전 및 방전을 교대로 수행하게 되고, 상기 제1모터제너레이터(1) 또는 제2모터제너레이터(17)에서 발생된 동력은 엔진(5)의 동력에 합쳐져서 구동륜(9)에 제공된다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 하이브리드 차량의 파워트레인에 있어서, 파워트레인의 효율이 좋은 변속비 영역을 보다 넓게 확보할 수 있도록 함과 아울러, 변속비의 변화에 따라 파워트레인을 상대적으로 효율이 좋은 상태로 작동시킬 수 있도록 한다.
또한, 상기한 바와 같이 파워트레인의 효율이 좋은 상태를 선택하여 조작함으로써, 상기 제1모터제네레이터와 제2모터제너레이터가 최대로 감당해야 할 기계 적 부하를 줄일 수 있어서 상대적으로 용량이 작은 모터제너레이터를 사용할 수 있도록 한다.

Claims (4)

  1. 제1모터제너레이터에 연결된 제1선기어와, 엔진에 연결된 제1캐리어와, 구동륜에 연결된 제1링기어를 구비한 제1유성기어세트와;
    상기 제1링기어에 연결된 제2선기어와, 제2모터제너레이터에 연결된 제2캐리어와, 제2링기어를 구비한 제2유성기어세트와;
    상기 제1유성기어세트의 제1선기어와 상기 제2유성기어세트의 제2링기어 사이를 연결 및 단절시키도록 설치된 제1클러치와;
    상기 제2링기어를 고정된 상태와 회전가능 상태로 전환하도록 설치된 제2클러치;
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기차용 듀얼모드 파워트레인.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2클러치는 파워트레인케이스와 상기 제2유성기어세트의 제2링기어 사이에 설치된 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 전기차용 듀얼모드 파워트레인.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1유성기어세트, 제2유성기어세트는 싱글피니언유성기어로 이루어진 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 전기차용 듀얼모드 파워트레인.
  4. 청구항 1의 파워트레인을 제어하는 방법에 있어서,
    상기 제1모터제너레이터의 속도가 0이 되는 미케니컬포인트를 기준으로 변속비가 높은 영역에서는 상기 제1클러치를 단절시키고 제2클러치를 연결시키며, 변속비가 낮은 영역에서는 상기 제1클러치를 연결시키고 제2클러치를 단절시키는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 전기차용 듀얼모드 파워트레인 작동방법.
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