KR100893438B1 - 하이브리드 차량의 동력전달시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하이브리드 차량의 동력전달시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하이브리드 차량의 동력전달 효율이 향상 가능하도록 동력전달 구조를 변경하여 에너지의 순환을 방지하고, 클러치 2개에 의해 2모드 변속단을 구현하여 단일 모드 하이브리드 차량보다 동력순환이 없으면서도 효율이 높은 영역에서 운전 가능한 복합 동력분기형 제2모드의 운전을 구현하면서 제1모드의 운전도 가능토록 변속비를 확대한 분기영역에서 주행할 수 있도록 한 하이브리드 차량의 동력전달시스템에 관한 것이다.
하이브리드 차량, 동력전달시스템, 엔진, 구동모터, 유성기어, 클러치, 구동축, 엔진, 제어장치

Description

하이브리드 차량의 동력전달시스템{Power transmission system of hybrid vehicle}
본 발명은 하이브리드 차량의 동력전달시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 동력순환이 없으면서도 효율이 높은 영역에서 운전 가능한 복합 동력분기형 제2모드의 운전을 구현하면서 제1모드의 운전도 가능한 가변형 하이브리드 차량의 동력전달시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 하이브리드 차량(HEV: Hybrid Electrical Vehicle)은 동력원으로서 엔진에서 생산되는 기계적 에너지와 모터에서 생산되는 전기적 에너지를 함께 사용하여 운행하는 자동차를 말한다.
즉, 주행 중에 내리막이나 신호 대기시와 같이 큰 출력을 필요로 하지 않는 때에는 엔진 대신 모터의 출력을 동력원으로 사용함으로써 화석연료의 사용량을 줄이고 엔진의 효율을 향상시킬 수 있도록 한 차세대 자동차이다.
이러한 하이브리드 차량에 사용되는 변속기로는 엔진의 속도를 변속비 범위 내에서 차량의 속도에 관계없이 제어할 수 있는 무단 변속기(CVT)가 많이 사용되어 왔다.
이러한 무단 변속기는 유성기어와 구동모터 2개를 사용하는 단일모드의 동력전달시스템으로서, 별도의 변속장치 없이도 2개의 모터 속도를 제어하며, 구동모터 2개의 속도 제어에 의해 하이브리드 차량의 다양한 모드(모터구동, 엔진구동, 하이브리드, 회생제동 등)를 구현할 수 있으며, 엔진의 부드러운 온/오프 제어와 제동시 2개 모터의 유기적인 작동 제어에 의한 회생 제동 효율의 향상이 가능하게 된다.
그러나, 상기와 같은 기능을 갖는 동력전달시스템은 단일 모드로 이루어져 있기 때문에 클러치 등이 필요 없으나, 차량의 속도가 증가시 일부 변속구간에서는 동력순환이 발생하고 모터를 통한 동력 순환량이 증대될 경우, 동력전달시스템 전체의 효율이 급격하게 낮아지는 문제점이 있다.
한편, 최근에 반자동 변속기(SAT: Semi Auto Transmission) 또는 자동 시프팅 기어박스(ASG: Automated Shifting Gearbox)의 변속감 불량 문제를 개선한 신개념 변속기인 이중 클러치 변속기(DCT: Dual Clutch Transmission)가 유럽 등의 차량 메이커들로부터 관심의 대상이 되고 있으며, 이미 일부 양산차에 적용되고 있다.
이러한 경향에 입각하여 이중 클러치 변속기를 하이브리드 차량에 적용하여 상기한 종래의 동력전달시스템의 문제점을 해결하고자 하는 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
그런데, 이러한 이중 클러치 변속기는 상기한 종래의 단일모드 동력전달시스템과 비교하여 클러치, 브레이크 등의 추가에 의해 중량이 증대되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 하이브리드 차량의 동력전달 효율이 향상 가능하도록 동력전달 구조를 변경하여 에너지의 순환을 방지하고, 클러치 2개에 의해 2모드 변속단을 구현하여 단일 모드 하이브리드 차량보다 동력분기 상태로 운전 가능토록 변속비를 확대한 분기영역에서 주행할 수 있도록 한 하이브리드 차량의 동력전달시스템을 제공하고자 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 동력전달시스템은 하이브리드 차량의 트랜스액슬 하우징(10) 내부에 배치되며 제1유성기어부(13a) 및 제2유성기어부(13b)를 포함하는 유성기어(13)와;
상기 제1유성기어부(13a)와 동력 전달이 가능하도록 연결 설치되는 제1모터부(12a) 및 엔진(11)에서 발생되는 동력과 함께 구동축(15)을 작동 가능하도록 제2유성기어부(13b)와 연결 설치된 제2모터부(12b)를 포함하는 구동모터(12)와;
상기 구동모터(12)에서 발생된 전기적 에너지가 0이 되는 에너지 전환 손실이 없는 상태인 노드점에서 양(+)의 영역인 분기영역으로 주행 가능하도록 상기 유성기어(13)상에 연결 설치되어 동력을 단속하는 클러치(14);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
삭제
바람직한 실시예로서, 상기 제1유성기어부(13a)는 엔진(11)과 직접 연결 설치되어 상기 엔진(11)에서 발생된 동력을 전달받는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 구동모터(12)의 제1모터부(12a)는 제1유성기어부(13a)에 구비된 제1링기어(13a-1)와 연결 설치되고, 제2모터부(12b)는 제1 및 제2클러치부(14a,14b)의 작동에 따라 제1유성기어부(13a)의 제1선기어(13a-2) 및 제2유성기어부(13b)의 제2캐리어(13b-3)에, 제2유성기어부(13b)의 제2링기어(13b-1)에 각각 연결 설치되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 클러치(14)는 제1유성기어부(13a)와 제2유성기어부(13b) 사이에 연결 설치되어 동작하며, 엔진(11) 및 제1모터부(12a)에서 발생된 동력이 구동축(15)으로 전달 가능하도록 작동되는 제1클러치부(14a)와, 일단이 제2모터부(12b)와 연결 설치되고 타단이 제2유성기어부(13b)의 제2링기어(13b-1)에 연결 설치되며 하이브리드 차량이 초기 구동에 필요한 제1모터부(12a)의 토크가 증대되도록 작동되는 제2클러치부(14b)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 동력전달시스템에 의하면, 동력 순환이 없으면서 효율이 높은 영역에서 운전 가능하고, 다양한 주행 모드의 구현이 가능하며, 전 속도 영역에서 동력 순환이 발생하지 않고 동력분기 상태에서 운전되므로 부품의 용량을 줄일 수 있어 효율면에서 유리한 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 동력전달시스템을 나타내는 구조도이다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 하이브리드 차량의 트랜스액슬 하우징(10) 내부에는 엔진(11), 제1 및 제2모터부(12a,12b)로 이루어진 2개의 구동모터(12)와, 상기 구동모터(12)가 각각 입력축과 출력축에 연결되는 제1 및 제2유성기어부(13a,13b)로 이루어진 2개의 유성기어(13)와, 제1 및 제2클러치부(14a,14b)로 이루어진 2개의 클러치(14)로 이루어져 있다.
상기 제1유성기어부(13a)는 제1링기어(13a-1)와, 제1선기어(13a-2) 및 제1캐리어(13a-3)를 포함하여 설치되고, 제2유성기어부(13b)는 제2링기어(13b-1)와 제2선기어(13b-2) 및 제2캐리어(13b-3)를 포함하여 설치된다.
상기 제1유성기어부(13a)는 엔진(11)과 직접 연결되어 상기 엔진(11)에서 발생된 동력을 전달받도록 연결 설치되며, 바람직하게는 엔진(11)과 제1캐리어(13a-3)와 연결 설치된다.
상기 제1유성기어부(13a)의 제1캐리어(13a-3)는 제2유성기어부(13b)의 제2선기어(13b-2)와 동력 전달이 가능하도록 연결 설치되고, 제1선기어(13a-2)는 제2유성기어부(13b)의 제2캐리어(13b-3)와 동력 전달이 가능하도록 연결 설치된다.
상기 구동모터(12)는 상기 제 1유성기어부(13a)와 동력 전달이 가능하도록 연결 설치되는 제1모터부(12a)와, 엔진(11)에서 발생되는 동력과 함께 구동축(15)을 작동 가능하도록 제2유성기어부(13b)와 연결 설치된 제2모터부(12b)를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 제1모터부(12a)는 제1유성기어부(13a)의 제1링기어(13a-1)에 연결되며, 제2모터부(12b)는 제1 및 제2클러치부(C1,C2)(14a,14b)의 작동에 따라 제1유성기어부(13a)의 제1선기어(13a-2) 및 제2유성기어부(13b)의 제2캐리어(13b-3)에, 제2유성기어부(13b)의 제2링기어(13b-1)에 각각 연결된다.
여기서, 상기 제1클러치부(C1)(14a)의 작동 시, 제2모터부(12b)는 상기 제2유성기어부(13b)의 제2캐리어(13b-3)와 연결은 되지만 동력 전달은 이루어지지 않는다.
또한, 구동축(15)으로의 출력은 제1유성기어부(13a)의 제1선기어(13a-2)와, 제2유성기어부(13b)의 제2캐리어(13b-3)에 함께 연결된다.
그리고, 상기 구동모터(12)에서 발생된 전기적 에너지가 0이 되는 에너지 전환 손실이 없는 상태인 노드점에서 양(+)의 영역인 분기 영역으로 주행 가능하도록 상기 유성기어(13) 상에 연결 설치되어 동력을 단속하는 클러치(14)가 설치되고, 상기 하이브리드 차량의 주행 상태에 따라 구동모터(12)와 클러치(14)의 작동 상태를 제어하는 제어장치(16)를 포함하여 구성된다.
상기 클러치(14)는 제1유성기어부(13a)와 제2유성기어부(13b) 사이에 연결 설치되어 동작하며, 엔진(11) 및 제1모터부(12a)에서 발생된 동력이 구동축(15)으 로 전달 가능하도록 작동되는 제1클러치부(14a)와, 일단이 제2모터부(12b)와 연결 설치되고 타단이 제2유성기어부(13b)의 제2링기어(13b-1)에 연결 설치되며 하이브리드 차량이 초기 구동에 필요한 제1모터부(12a)의 토크가 증대되도록 작동되는 제2클러치부(14b)를 포함하여 구성된다.
한편, 첨부한 도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 동력전달시스템에 대한 각 모드별 구성도로서, 도 2a는 제1모드인 입력 분기 모드이고, 도 2b는 제2모드인 복합 분기 모드이며, 클러치(14)의 작동 및 구조를 나타낸다.
여기서, 상기 입력 분기 모드는 유성기어(13)의 출력축과 구동모터(12)의 제1 및 제2모터부(12b) 중 하나가 동일축 또는 클러치(14)로 연결됨으로써, 엔진(11)으로부터의 입력 동력 일부는 출력축으로 직접 전달되고, 일부는 출력축에 연결되지 않은 나머지 하나의 구동모터(12)에 구비된 제1 및 제2모터부(12a,12b)를 통해 분기되는 모드를 의미한다.
상기 입력 분기 모드에서는 제어장치(16)에 의해 제1클러치부(14a)는 결합 상태로 작동되고, 제2클러치부(14b)는 해제 상태로 작동되며 저속 주행 및 후진시 사용된다.
상기 제1클러치부(14a)가 결합 상태로 작동되면서 제1유성기어부(13a)만이 작동되며 상기 제1유성기어부(13a)는 제1모터부(12a) 및 엔진(11)에 의해 구동된다.
상기 엔진(11)에서 발생된 기계적인 에너지는 제1유성기어부(13a)를 통해 제1모터부(12a) 및 구동축(15)으로 전달되고, 제2모터부(12b)에서 발생한 전기적인 에너지는 제1클러치부(14a)의 결합 작동에 의해 제1유성기어부(13a)의 제1선기어(13a-2)와 제2유성기어부(13b)의 제2캐리어(13b-3)를 거쳐서 구동축(15)으로 출력되며, 이를 통해 차량 주행이 이루어진다.
상기 복합 분기 모드는 2개의 유성기어(13)로 4개의 동작점을 구성하고, 각각의 동작점에 구동축(15)과, 제1 및 제2모터부(12a,12b) 및 엔진(11)의 입력축을 연결하여 구동하는 방식을 의미한다.
즉, 엔진(11)이 제1유성기어부(13a)의 제1캐리어(13a-3)를 거쳐 제2유성기어부(13b)의 제2선기어(13b-2)로, 제1유성기어부(13a)의 제1선기어(13a-2)와 제2유성기어부(13b)의 제2캐리어(13b-3)를 거쳐서 구동축(15)에 연결되는 동시에, 제2모터부(12b)가 제2유성기어부(13b)의 제2링기어(13b-1)에 연결된다.
하이브리드 차량이 초기에 구동될 때에는 상기 제1모터부(12a)에서 발생되는 구동력이 원하는 만큼 출력되지 않기 때문에 제1클러치부(14a)를 해제 상태로 작동시키고, 제2클러치부(14b)는 결합 상태로 작동시켜서 유성기어(13)에서 출력되는 변속비를 고변속 상태로 출력시키게 되므로 고속 주행시 사용된다.
제1모터부(12a)에서 발생된 전기적 에너지가 유성기어(13)를 통해 제2모터부(12b)로 전달되고, 상기 제2모터부(12b)에서 발생된 모터 토크가 유성기어(13)를 통해 구동축(15)으로 동력을 전달하여 전기적인 에너지와 엔진(11)에서 발생되는 기계적인 에너지와의 비율이 0이 되는 분기 영역으로 하이브리드 차량의 주행이 이루어질 수 있도록 한다.
첨부한 도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 동력전달시스템의 동력전 달특성을 나타내는 네트워크 해석결과이다.
여기서, X축은 듀얼모드 동력전달시스템의 전체 속도비를 나타내고, Y축은 입력에 대한 출력비율을 나타낸다.
PE/Pin 선도는 각 속도비에서 입력 동력에 대한 전기부(E)로의 동력 전달 비율을 나타낸다.
상기 속도비는 입력속도에 대한 출력속도의 비로 계산된다.
첨부한 도면에서 PE/Pin 선도가 Y축과 교차되는 2개의 노드점(mechanical point, 도 3의 A,B)의 속도비는 구동모터(12)의 속도가 0일 때 유성기어(13)의 특성에 의해 결정되는 값이다.
만일, 차량 운행시 속도비가 노드점에서 유지된다면 전기부로의 전달 동력은 0이 되므로 모든 동력은 기계부로만 전달되며 이때 동력전달효율은 최대가 된다.
속도비가 2개의 노드점 사이에 있는 경우에는 입력 동력이 전기부와 기계부로 분리되어 전달되고, 전달 효율이 낮은 전기부로의 동력 전달량에 따라 동력전달시스템 전체의 효율이 달라지게 된다.
즉, 그 사용 변속비 구간은 0(정지) ~ B 사이의 구간인 상태에서, 필요시 입력 분기 모드인 제1모드(0 ~ A)만으로도 일부 변속비 구현이 가능하게 된다.
제2모드(A ~ B)는 상기 제1모드로 구동시 보다 전기부로 전달되는 동력이 작아지고 기계부로 전달되는 동력이 크기 때문에 제1모드로 구동시 보다 제2모드로 구동시 동력전달효율이 높게 되는 것이다.
따라서, 가급적 동력 순환이 발생하지 않는 구간에서 사용되도록 설계하는 것이 바람직하다.
더욱 상세하게는, 제1모드는 입력 분기 모드 구성으로서, 속도비 0 ~ A점까지 작동(필요시 B점까지도 연속 작동 가능)하며, 입력 동력은 동력순환 없이 기계부와 전기부로 분기되어 전달된다.
상기 제1모드에서 동력 분기량은 속도비 0에서 전기부(E1)로 100%, 제2모드로 변속된 후 속도비 A에서 기계부(M2)로 100% 전달되며, 속도비 0 ~ A 구간에서는 기계부(M1)와 전기부(E1)로 1차 선도를 따라 동력분기 비율이 나뉜다.
모드 전환이 일어나는 속도비 A는 유성기어(13)의 기어비 설정에 따라 변하며 제2모드로 전환후 속도비 A 일때 동력이 기계부로만 전달되므로 전달효율이 가장 좋은 운전상태가 된다.
상기 제2모드는 속도비 A ~ B 구간에서 작동하며 복합 분기 모드로 작동되어 2차 선도형태로 동력분기 특성이 나타난다.
속도비 A ~ B 구간에서 기계부로 전달되는 동력(M2)은 전기부로 전달되는 동력(E2)과 비교하여 높기 때문에 제1모드보다 효율이 높은 구간에서 운전되어 전체 시스템의 동력전달효율이 높고 연비도 향상된다.
여기서, 속도비 B는 제2유성기어부(13b)의 기어비에 의해 결정된다.
각 모드에서 차량속도 구현을 위하여 구동모터(12)의 회전속도와 토크를 제어함으로써 하이브리드 모드, 엔진모드와 회생제동 모드를 구현을 할 수 있다.
따라서, 이와 같은 하이브리드 차량의 동력전달시스템은 클러치(14) 조작에 의한 모드 변환으로 저속 및 고속에서 모두 동력순환이 발생하지 않는 동력분기 상태에서 운전이 가능하게 되고, 이와 같이 동력순환이 발생하지 않게 되므로 종래기술과 비교하여 구동모터(12)와 배터리 용량의 소형화가 가능하게 된다.
또한, 제2모드의 구동시 동력전달효율이 높은 기계부로 전달되는 동력이 구동모터(12)로 구성된 전기부로 전달되는 동력보다 많기 때문에 동력전달시스템 전체 효율이 높은 상태로 운전이 가능하게 된다.
종래의 듀얼모드 구조와 비교하여 클러치(14)만 2개 사용하므로 상대적으로 소형, 경량인 구조이며 모드 변환시 1개의 클러치(14)만 제어하므로 제어가 훨씬 용이하다.
그리고, 제1모드만으로도 종래의 단일모드의 동력전달시스템과 동일한 변속비까지 변속 가능하게 된다.
본 발명은 상술한 특정의 실시예나 도면에 기재된 내용에 그 기술적 사상이 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 본 발명의 청구범위 내에 있게 된다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 동력전달시스템을 나타내는 구조도,
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 동력전달시스템에 대한 각 모드별 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 동력전달시스템의 동력전달특성을 나타내는 네트워크 해석결과이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 트랜스액슬 하우징 11 : 엔진
12 : 구동모터 13 : 유성기어
14 : 클러치 15 : 구동축
16 : 제어장치

Claims (4)

  1. 하이브리드 차량의 트랜스액슬 하우징(10) 내부에 배치되며 제1유성기어부(13a) 및 제2유성기어부(13b)를 포함하는 유성기어(13)와;
    상기 제1유성기어부(13a)와 동력 전달이 가능하도록 연결 설치되는 제1모터부(12a) 및 엔진(11)에서 발생되는 동력과 함께 구동축(15)을 작동 가능하도록 제2유성기어부(13b)와 연결 설치된 제2모터부(12b)를 포함하는 구동모터(12)와;
    상기 구동모터(12)에서 발생된 전기적 에너지가 0이 되는 에너지 전환 손실이 없는 상태인 노드점에서 양(+)의 영역인 분기영역으로 주행 가능하도록 상기 유성기어(13)상에 연결 설치되어 동력을 단속하는 클러치(14);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 동력전달 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1유성기어부(13a)는 엔진(11)과 직접 연결 설치되어 상기 엔진(11)에서 발생된 동력을 전달받는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 동력전달 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 구동모터(12)의 제1모터부(12a)는 제1유성기어부(13a)에 구비된 제1링기어(13a-1)와 연결 설치되고, 제2모터부(12b)는 제1 및 제2클러치부(14a,14b)의 작동에 따라 제1유성기어부(13a)의 제1선기어(13a-2) 및 제2유성기어부(13b)의 제2캐리어(13b-3)에, 제2유성기어부(13b)의 제2링기어(13b-1)에 각각 연결 설치되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 동력전달 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 클러치(14)는 제1유성기어부(13a)와 제2유성기어부(13b) 사이에 연결 설치되어 동작하며, 엔진(11) 및 제1모터부(12a)에서 발생된 동력이 구동축(15)으로 전달 가능하도록 작동되는 제1클러치부(14a)와, 일단이 제2모터부(12b)와 연결 설치되고 타단이 제2유성기어부(13b)의 제2링기어(13b-1)에 연결 설치되며 하이브리드 차량이 초기 구동에 필요한 제1모터부(12a)의 토크가 증대되도록 작동되는 제2클러치부(14b)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 동력전달 시스템.
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