KR100783913B1 - 하이브리드 전기 차량의 구동장치 - Google Patents

하이브리드 전기 차량의 구동장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하이브리드 전기 차량의 구동장치에 관한 것으로서, 엔진의 회전력을 주동력으로 하고 모터의 회전력을 보조동력으로 이용하는 보조모드인 HEV 모드 뿐만 아니라 모터의 회전력만을 이용하는 순수 전기 자동차 모드인 EV 모드를 구현할 수 있고, 회생제동 모드에서 회생제동의 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 하이브리드 전기 차량의 구동장치에 관한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 엔진과 전기모터를 구동원으로 하는 하이브리드 전기 차량의 구동장치에 있어서, 상기 엔진을 그로부터 발생되는 구동력이 입력될 수 있도록 CVT에 연결하고, 상기 전기모터를 클러치를 개재한 상태로 상기 CVT의 출력단에 연결하며, 상기 전기모터의 출력측에 감속기로 이용되는 유성기어장치를 연결하여 상기 전기모터의 구동력이 상기 유성기어장치를 거쳐 차량 휠로 최종 전달될 수 있게 구성된 것을 특징으로 한다.
하이브리드, 전기 차량, 구동장치, 엔진, 모터, 클러치, 무단변속기(CVT), 유성기어

Description

하이브리드 전기 차량의 구동장치{DRIVING SYSTEM FOR HYBRID ELECTRIC VEHICLES}
도 1은 종래기술에 따른 소프트 타입의 구동장치를 도시한 개략도,
도 2는 본 발명에 따른 소프트 타입 하이브리드 전기 차량의 구동장치를 도시한 개략도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110 : 엔진 120 : CVT
121 : 클러치 130 : 전기모터
131 : 유성기어장치
본 발명은 하이브리드 전기 차량의 구동장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기모터를 CVT의 끝단에 위치시키고 중간에 클러치를 설치하여 구성함으로써, 엔진의 회전력을 주동력으로 하고 모터의 회전력을 보조동력으로 이용하는 보 조모드인 HEV 모드 뿐만 아니라 모터의 회전력만을 이용하는 순수 전기 자동차 모드인 EV 모드를 구현할 수 있고, 회생제동 모드에서 회생제동의 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 하이브리드 전기 차량의 구동장치에 관한 것이다.
주지된 바와 같이, 하이브리드 차량은 두 가지 이상의 동력원을 사용하는 차량으로서, 일반적으로는 엔진과 모터를 사용하여 구동되는 하이브리드 전기 차량(Hybrid Electric Vehicle;HEV)을 말한다.
최근 연비를 개선하고 보다 환경친화적인 제품을 개발해야 한다는 시대적 요청에 부응하여 하이브리드 전기 차량에 대한 연구가 더욱 활발히 진행되고 있다.
하이브리드 전기 차량의 분류는 차량의 동력전달방식에 따라 직렬형, 병렬형, 복합형 등이 있으며, 엔진과 전기모터의 동력분담비에 따라 소프트(Soft), 미들(Middle), 하드(Hard) 타입으로 분류된다.
여기서, 직렬형은 일반적인 전기 차량과 유사한 구조로서, 구동력은 전부 모터로부터 얻어지며, 엔진은 주행거리가 짧은 전기 차량의 단점을 보완하는 발전용으로서 탑재될 뿐이다.
그리고, 병렬형은 엔진에 의한 주행을 기본으로 하고 엔진의 효율이 낮은 저속 운전시나 가속시 등에서 모터로 구동력을 보조한다.
이러한 병렬형은 가솔린 엔진과 전기모터의 최적 작동영역을 이용함으로써 구동 시스템 전체의 연비를 향상시키고, 제동시에는 모터로 동력을 회수함으로써 연비를 향상시킬 수 있다.
그리고, 엔진의 용량에 비해 모터의 용량이 적은 형태를 소프트 타입 하이브 리드 시스템이라 하며, 일반적으로 소프트 하이브리드 시스템에서는 모터로만 차량이 구동되는 EV(Electric Vehicle) 모드가 없다.
이와 반대로 모터의 용량이 큰 하드 타입 하이브리드 시스템의 경우에는 저속에서 모터로만 차량이 구동되는 EV 모드를 구현할 수 있다.
하이브리드 전기 차량의 초기 출발시에는 엔진의 효율이 모터의 효율에 비하여 떨어지기 때문에 효율이 좋은 모터를 사용하여 차량의 초기 출발을 시작하는 것이 차량의 연비 측면에서 유리하다.
첨부한 도 1은 종래기술에 따른 소프트 타입의 구동장치를 도시한 개략도로서, 전기모터(20)가 엔진(10)과 직결되어 엔진의 출력을 보조하도록 되어 있고, 전기모터(20)의 출력단이 무단변속기(이하, CVT라 함)(30)와 클러치(21)로 연결되어 있다.
이러한 소프트 타입의 하이브리드 전기 차량은 전기모터(20)가 엔진(10)의 동력을 단지 보조하는 역할을 하게 되므로 하드 타입의 하이브리드 전기 차량에 비하여 연비 측면에서 불리한 조건을 가지게 된다.
그러나, 하드 타입의 경우 새로운 구조의 변속기가 필요하며, 이에 따른 원가 상승의 문제를 가지고 있는 것이 사실이다.
반면 소프트 타입의 경우 기존의 변속기를 변경 없이 혹은 부분 변경하여 대응이 가능하기 때문에 비용 절감에 있어서 상대적으로 유리한 위치에 있다.
이에, 기존의 소프트 타입과 마찬가지로 변속기를 부분 변경하여 사용이 가능하면서, 엔진(10)의 회전력을 주동력으로 하고 전기모터(20)의 회전력을 보조동 력으로 이용하는 보조모드인 HEV(Hybrid Electric Vehicle) 모드 뿐만 아니라 전기모터(20)의 회전력만을 이용하는 순수 전기 자동차 모드인 EV 모드를 구현할 수 있고, 차량의 제동(감속) 혹은 관성에 의한 타력 주행시 제동 및 관성에너지를 전기모터(20)에서 발전을 통해 회수하여 배터리에 충전하는 회생제동(regenerative braking) 모드에서 회생제동의 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 방안이 필요하게 되었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 발명한 것으로서, 전기모터를 CVT의 끝단에 위치시키고 중간에 클러치를 설치하여 구성함으로써, 엔진의 회전력을 주동력으로 하고 모터의 회전력을 보조동력으로 이용하는 보조모드인 HEV 모드 뿐만 아니라 모터의 회전력만을 이용하는 순수 전기 자동차 모드인 EV 모드를 구현할 수 있고, 회생제동 모드에서 회생제동의 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 하이브리드 전기 차량의 구동장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하면 다음과 같다.
본 발명은, 엔진과 전기모터를 구동원으로 하는 하이브리드 전기 차량의 구동장치에 있어서,
상기 엔진을 그로부터 발생되는 구동력이 입력될 수 있도록 CVT에 연결하고, 상기 전기모터를 클러치를 개재한 상태로 상기 CVT의 출력단에 연결하며, 상기 전기모터의 출력측에 감속기로 이용되는 유성기어장치를 연결하여 상기 전기모터의 구동력이 상기 유성기어장치를 거쳐 차량 휠로 최종 전달될 수 있게 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 차량의 구동장치를 제공한다.
여기서, 상기 유성기어장치의 캐리어를 고정요소로 하고, 상기 전기모터의 출력측을 상기 유성기어장치의 선기어와 연결하여, 상기 선기어를 입력, 상기 유성기어장치의 링 기어를 출력으로 설정한 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 2는 본 발명에 따른 소프트 타입 하이브리드 전기 차량의 구동장치를 도시한 개략도로서, 이에 도시한 바와 같이, 기존 소프트 타입의 구조와 달리 전기모터(130)의 위치를 변경한다.
기존 구조에서는 전기모터가 엔진과 직결되어 엔진의 출력을 보조하는 역할을 하였으나, 원래의 전기모터 위치, 즉 엔진(110)과 CVT(120) 사이에 플라이 휠(flywheel)(111) 또는 토크컨버터를 두어 엔진의 불규칙한 토크 전달을 차단한다.
그리고, 본 발명에서는 전기모터(130)를 CVT(120)의 끝단에 별도 구성하여 위치시키는 바, 도시한 바와 같이 '엔진(110) - 변속기(120) - 전기모터(130)'의 순서가 되도록 한다.
그리고, CVT(120)의 출력단과 전기모터(130)를 동력전달의 단속이 가능하도 록 클러치(121)로 연결한다.
이와 같이 CVT(120)의 출력단과 전기모터(130)를 클러치(121)로 연결하면 엔진(110)과 전기모터(130)의 동력을 분리할 수 있고, 따라서 전기모터(130)의 회전력만을 이용하는 순수 전기 자동차 모드, 즉 EV 모드의 구현이 가능해진다.
EV 모드로 주행 중 엔진 동력을 이용할 경우에는 ISG(Integrated Starter Generator)(또는 스타터 모터)(도시하지 않음)로 엔진(110)을 시동한 후 전기모터(130)와 엔진(110)의 회전수를 맞추고 클러치(121)를 체결하여 차량의 쇼크(shock)를 최대한 줄인다.
한편, 전기모터(130)의 출력은 체적에 비례하나, 전장의 한계로 인하여 전기모터의 체적을 키우는 데는 한계가 있다.
따라서, 전기모터(130)의 출력측에 유성기어장치(131)를 연결하여, 유성기어장치(131)의 한 요소를 고정함으로써 토크를 증대시키는 방식이 적용된다.
즉, 유성기어장치(131)를 감속기로 이용하는 것으로, 예컨대 유성기어장치의 캐리어를 고정요소로 하고, 전기모터의 출력측을 유성기어장치의 선기어와 연결하여, 상기 선기어를 입력, 유성기어장치의 링 기어를 출력으로 설정한다.
상기와 같이 전기모터(130)에 연결된 유성기어장치(131)는 감속기의 역할을 하므로, 도 1에 나타낸 기존 소프트 타입 구조에서 FGR을 위한 감속기어(31)의 삭제가 가능하다.
이와 같이 하여, 본 발명의 구동장치에서는 다음과 같은 장점이 있게 된다.
기존 소프트 타입 구조에서는 전기모터가 엔진과 직결되어 엔진의 출력을 보 조하는 역할을 하였으나, 본 발명의 구동장치에서는 전기모터(130)를 CVT(120)의 끝단에 별도로 구성하고 중간에 클러치(121)를 설치함으로써, 상기 클러치(121)를 분리할 경우 EV 모드의 구현이 가능해지며, 이후 클러치(121)를 체결하면 엔진(110)의 동력이 전달될 수 있게 된다.
또한 EV 모드시에 전기모터(130)의 구동력이 CVT(120)를 거치는 것이 아니라 감속기 역할의 유성기어장치(131)를 거쳐 바로 차량 휠로 전달되므로 동력전달의 효율이 좋다.
그리고, 차량의 제동(감속) 혹은 관성에 의한 타력 주행시에 모터를 제너레이터로 사용하여 회생에너지를 얻게 되는 과정에서, 기존 소프트 타입 구조는 구동 휠에서 1축의 전기모터까지 회전력을 전달하기 위해서 클러치를 체결해야 하며, 이때 클러치 유압을 유지해야 하므로 유압손실이 발생한다.
또한 기존 소프트 타입 구조에서는 엔진이 하나의 관성체로 모터와 연결되어 있으므로 회생에너지의 손실이 발생하나, 본 발명의 구조에서는 회생에너지의 발생시에 클러치(121)를 분리할 수 있으므로 유압손실이 없을 뿐만 아니라 엔진에 의한 관성력이 작용하지 않으므로 회생에너지 증대에 더욱 유리하다.
이와 같이 하여, 본 발명에서는, 기존의 하이브리드 전기 차량에 탑재된 CVT 연결 구조를 변경한 것으로, 1축상에 위치한 전기모터(130)를 유성기어장치(131)와 연결한 구조로 하여 CVT(120)의 끝단에 클러치(121)를 개재한 상태로 위치시킴으로써, EV 모드 구형을 가능하게 함과 동시에 회생제동 모드에서 회생에너지를 최대화하여 회생제동의 효율을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.
특히, 기존 소프트 타입 구조에서는 회생에너지를 회수하는 과정에서 CVT의 클러치가 연결되어 있어야 에너지를 회수할 수 있기 때문에 회생제동 모드시에 유압에 의한 손실이 발생하였고 엔진과 모터가 직결된 구조이므로 엔진의 관성이 회생에너지 발생시 손실로 작용하였으나, 본 발명의 구동장치에서는 회생제동 모드시에 클러치(121)를 해제함으로써 유압에 의한 손실을 없애고 엔진의 관성을 무시할 수 있는 장점이 있게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 구동장치에서는 전기모터를 CVT의 끝단에 별도로 구성하고 중간에 클러치를 설치함으로써, 상기 클러치를 분리할 경우 EV 모드의 구현이 가능해지며, 또한 EV 모드시에 모터의 구동력이 CVT를 거치는 것이 아니라 감속기 역할의 유성기어장치를 거쳐 바로 차량 휠로 전달되므로 동력전달의 효율이 좋다.
그리고, 차량의 제동(감속) 혹은 관성에 의한 타력 주행시에 모터를 제너레이터로 사용하여 회생에너지를 얻게 되는 과정에서, 회생에너지의 발생시에 클러치를 분리할 수 있으므로 유압손실이 없을 뿐만 아니라 엔진에 의한 관성력이 작용하지 않으므로 회생에너지 증대에 더욱 유리하고, 회생에너지를 최대화하여 회생제동의 효율을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.

Claims (2)

  1. 엔진과 전기모터를 구동원으로 하는 하이브리드 전기 차량의 구동장치에 있어서,
    상기 엔진을 그로부터 발생되는 구동력이 입력될 수 있도록 CVT에 연결하고, 상기 전기모터를 클러치를 개재한 상태로 상기 CVT의 출력단에 연결하며, 상기 전기모터의 출력측에 감속기로 이용되는 유성기어장치를 연결하여 상기 전기모터의 구동력이 상기 유성기어장치를 거쳐 차량 휠로 최종 전달될 수 있게 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 차량의 구동장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 유성기어장치의 캐리어를 고정요소로 하고, 상기 전기모터의 출력측을 상기 유성기어장치의 선기어와 연결하여, 상기 선기어를 입력, 상기 유성기어장치의 링 기어를 출력으로 설정한 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 차량의 구동장치.
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