KR100911569B1 - 듀얼 클러치를 이용한 직렬 및 병렬 하이브리드 시스템 - Google Patents

듀얼 클러치를 이용한 직렬 및 병렬 하이브리드 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 듀얼 클러치를 이용한 직렬 및 병렬 하이브리드 시스템에 관한 것으로, 엔진과, 상기 엔진의 동력을 보조하기 위한 한 쌍의 모터와, 배터리를 충전시키기 위한 제너레이터와, 액슬 및 휠에 동력을 전달하여 상기 액슬과 휠이 각기 다른 속도로 회전하도록 하는 디퍼런셜과, 상기 모터 및 제너레이터에 연결된 인버터와, 상기 인버터에 연결된 배터리가 구비된 하이브리드 자동차에 있어서, 상기 엔진과 상기 모터의 사이에 설치되고 상기 엔진과 상기 모터 및 제너레이터에 연결되어 작동되는 제1 클러치부; 및 상기 모터와 디퍼런셜 사이에 설치되고 상기 모터 및 제너레이터와 상기 디퍼런셜에 연결되어 작동되는 제2 클러치부를 포함하여 구성되며, 상기 모터와 제너레이터는 동축으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
듀얼 클러치, 하이브리드 자동차, 직렬 및 병렬 시스템, 제1 클러치부, 제2 클러치부, 제너레이터, 모터, 엔진

Description

듀얼 클러치를 이용한 직렬 및 병렬 하이브리드 시스템{Series and parallel hybrid system using dual clutch}
본 발명은 듀얼 클러치를 이용한 직렬 및 병렬 하이브리드 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 직렬 및 병렬 타입의 파워 트레인 구조를 2개의 클러치와 모터 및 제너레이터를 이용해 구현함으로써 EV 모드 및 병렬 하이브리드 모드의 영역을 확대할 수 있는 듀얼 클러치를 이용한 직렬 및 병렬 하이브리드 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 하이브리드 자동차는 엔진에 전기자동차의 배터리 엔진을 동시에 장착한 것으로, 엔진에 의해 제너레이터를 작동시켜 배터리를 충전함으로써 장거리 주행시나 배터리의 방전시 배터리를 충전하여 엔진의 동력을 보조하는데 사용한다.
파워 트레인이란 드라이브 트레인이라고도 하며, 엔진, 트랜스미션, 트랜스퍼 케이스, 드라이브 샤프트, 디퍼런셜, 액슬 샤프트, 휠 허브 등과 같이 동력을 생산하여 바퀴에 동력을 전달하는 차량의 모든 구성품을 지칭한다. 종래의 하이브리드 자동차는 직렬 또는 병렬식의 파워 트레인 구조를 적용하고 있으며, 엔진과 제너레이터, 모터가 유성 기어로 매우 복잡하게 연결되어 있는 구조로 파워 트레인 제어 역시 매우 복잡한 문제가 있다.
본 발명의 목적은 직렬 및 병렬 타입의 파워 트레인 구조를 2개의 클러치와 모터 및 제너레이터를 이용해 구현함으로써 EV 모드 및 병렬 하이브리드 모드의 영역을 확대할 수 있는 듀얼 클러치를 이용한 직렬 및 병렬 하이브리드 시스템을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 엔진과, 상기 엔진의 동력을 보조하기 위한 한 쌍의 모터와, 배터리를 충전시키기 위한 제너레이터와, 액슬 및 휠에 동력을 전달하여 상기 액슬과 휠이 각기 다른 속도로 회전하도록 하는 디퍼런셜과, 상기 모터 및 제너레이터에 연결된 인버터와, 상기 인버터에 연결된 배터리가 구비된 하이브리드 자동차에 있어서, 상기 엔진과 상기 모터의 사이에 설치되고 상기 엔진과 상기 모터 및 제너레이터에 연결되어 작동되는 제1 클러치부; 및 상기 모터와 디퍼런셜 사이에 설치되고 상기 모터 및 제너레이터와 상기 디퍼런셜에 연결되어 작동되는 제2 클러치부를 포함하여 구성되며, 상기 모터와 제너레이터는 동축으로 구성되는 것을 특징으로 하는 듀얼 클러치를 이용한 직렬 및 병렬 하이브리드 시스템을 제공한다.
상기 제1 클러치부는 상기 엔진과 제너레이터와 연결 설치되는 제1 클러치와, 상기 엔진과 한 쌍의 모터에 동시에 연결 설치되는 제2 클러치를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제2 클러치부는 상기 디퍼런셜과 상기 한 쌍의 모터와 동시에 연결 설치되는 제3 클러치와, 상기 제너레이터와 상기 디퍼런셜에 연결 설치되는 제4 클러치를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제2 클러치부는 EV 모드에서 상기 모터만 작동하는 경우 상기 제3 클러치가 닫혀 상기 인버터에 의해 상기 배터리의 동력을 전달받은 상기 모터의 동력을 상기 디퍼런셜에 전달하도록 제어되는 것을 특징으로 한다.
상기 제2 클러치부는 EV 모드에서 상기 모터 및 제너레이터의 동시 작동이 필요한 경우 상기 제3 클러치 및 제4 클러치가 닫혀 상기 인버터에 의해 상기 배터리의 동력을 전달받은 상기 모터 및 제너레이터의 동력을 상기 디퍼런셜에 전달하도록 제어되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 클러치부 및 제2 클러치부는 직렬 하이브리드 모드에서 상기 제1 클러치와 제3 클러치가 닫혀 상기 엔진이 상기 제너레이터를 통해 상기 모터에 동력을 공급하여 상기 모터의 동력이 상기 디퍼런셜에 전달되도록 제어되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 클러치가 닫혀 상기 엔진에 의해 작동되는 상기 제너레이터의 일부 동력은 상기 인버터로 전달되어 상기 배터리를 충전시키는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 클러치부 및 제2 클러치부는 병렬 하이브리드 모드에서 상기 엔진과 모터의 동시 작동이 필요한 경우 상기 제2 클러치와 제3 클러치가 닫혀 상기 엔진과 상기 인버터에 의해 상기 배터리의 동력을 전달받은 모터의 동력이 상기 디퍼런셜에 전달되도록 제어되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 클러치부 및 제2 클러치부는 병렬 하이브리드 모드에서 상기 엔진과 모터 및 제너레이터의 동시 작동이 필요한 경우 상기 제1 클러치 내지 제4 클러치가 모두 닫혀 상기 엔진과 모터 및 상기 인버터에 의해 상기 배터리의 동력을 전달받은 제너레이터의 동력이 상기 디퍼런셜에 전달되도록 제어되는 것을 특징으로 한다.
상기 제2 클러치부는 회생제동 모드에서 상기 모터만 작동하는 경우 상기 제3 클러치가 닫혀 상기 휠의 회전력을 전달받은 상기 디퍼런셜의 동력을 상기 모터로 전달하여 상기 모터의 동력이 상기 인버터로 전달되는 것을 특징으로 한다.
상기 제2 클러치부는 회생제동 모드에서 상기 모터 및 제너레이터의 동시 작동이 필요한 경우 상기 제3 클러치 및 제4 클러치가 모두 닫혀 상기 모터 및 제너레이터의 동력이 상기 인버터에 전달되는 것을 특징으로 한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 듀얼 클러치를 이용한 직렬 및 병렬 하이브리드 시스템은 별도의 변속기가 없이도 하이브리드 차량에 적용이 용이하며, 모터 및 제너레이터의 동력을 동시에 휠에 전달할 수 있어 EV 모드와 병렬 하이브리드 모드의 영역을 확대할 수 있다.
또한, EV 모드와 직렬 하이브리드 모드 및 병렬 하이브리드 모드를 적절히 적용할 수 있어 연비 개선 효과가 있다.
이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 듀얼 클러치 를 이용한 직렬 및 병렬 하이브리드 시스템에 대해 상세히 설명하기로 한다.
첨부된 도 1은 본 발명에 따른 듀얼 클러치를 이용한 직렬 및 병렬 하이브리드 시스템을 도시한 모식도이고, 도 2는 본 발명에 따른 듀얼 클러치를 이용한 직렬 및 병렬 하이브리드 시스템의 EV 모드시 작동 상태를 도시한 모식도이며, 도 3은 본 발명에 따른 듀얼 클러치를 이용한 직렬 및 병렬 하이브리드 시스템의 충전 모드를 포함하는 직렬 하이브리드 모드시 작동 상태를 도시한 모식도이다. 도 4는 본 발명에 따른 듀얼 클러치를 이용한 직렬 및 병렬 하이브리드 시스템의 병렬 하이브리드 모드시 작동 상태를 도시한 모식도이고, 도 5는 본 발명에 따른 듀얼 클러치를 이용한 직렬 및 병렬 하이브리드 시스템의 회생제동 모드시 작동 상태를 도시한 모식도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 듀얼 클러치를 이용한 직렬 및 병렬 하이브리드 시스템은 엔진(100)과, 엔진(100)의 동력을 보조하기 위한 한 쌍의 모터(200)와, 모터(200)와 동축으로 구성되어 배터리를 충전시키기 위해 사용되는 제너레이터(300)와, 액슬(410) 및 휠(420)에 동력을 전달하여 액슬(410)과 휠(420)이 각기 다른 속도로 회전하도록 하는 디퍼런셜(400)과, 모터(200) 및 제너레이터(300)에 연결된 인버터(500)와, 인버터(500)에 연결된 배터리(600)에 의해 구현된다.
또한, 엔진(100)과 모터(200)의 사이에는 제1 클러치부(700)가 설치되어 엔진(100)과 모터(200) 및 제너레이터(300)에 연결되어 작동되며, 모터(200)와 디퍼런셜 사이에는 제2 클러치부(800)가 설치되어 모터(200) 및 제너레이터(300)와 디 퍼런셜(400)에 연결되어 작동된다.
제1 클러치부(700)는 엔진(100)과 제너레이터(300)에 연결 설치되는 제1 클러치(710)와, 엔진(100)과 한 쌍의 모터(200)에 동시에 연결 설치되는 제2 클러치(720)로 구성되며, 제2 클러치부(800)는 디퍼런셜(400)과 한 쌍의 모터(200)에 동시에 연결 설치되는 제3 클러치(810)와, 제너레이터(300)와 디퍼런설()에 연결 설치되는 제4 클러치(820)로 구성된다.
첨부 도면을 참조하여 본 발명의 하이브리드 자동차에 따른 각 모드(mode)에서 각각의 구성 요소들에 따른 작동 관계를 살펴보면 다음과 같다.
도 2에 도시된 바와 같이, EV 모드(Electric Vehicle mode)는 하이브리드 차량의 출발 및 비효율 구간에서 작동되는 전기 자동차 모드로, 배터리의 충방전 용량(이하 SOC) 및 동력 요구량에 따라 2가지 방법으로 제어된다.
먼저 모터(200)만 작동하는 경우는 일반적인 출발시에 해당하는 경우로, 제3 클러치(810)만 닫혀 모터(200)의 동력을 디퍼런셜(400)에 전달해 액슬(410) 및 휠(420)을 구동시킨다. 이때에는 배터리(600)에 저장된 전력을 인버터(500)에서 변환하여 모터(200)로 보내주게 된다.
다음으로 모터(200) 및 제너레이터(300)가 모두 작동하는 경우는 높은 수준의 SOC 요구 및 동력의 추가 발생이 필요한 경우로, 모터(200)와 제너레이터(300)는 동일 RPM으로 회전하며, 제3 클러치(810) 및 제4 클러치(820)가 모두 닫혀 모터(200) 및 제너레이터(300)의 동력을 디퍼런셜(400)에 전달해 액슬(410) 및 휠(420)을 구동시킨다. 이때에는 배터리(600)에 저장된 전력을 인버터(500)에서 변 환하여 모터(200) 및 제너레이터(300)로 보내주게 된다.
이렇게 하면 종래의 하이브리드 시스템에 비해 EV 모드 영역을 확대하는 효과가 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 직렬 하이브리드 모드 및 충전 모드에서는 이때 제1 클러치(710) 및 제3 클러치(810)는 닫히고, 제2 클러치(720) 및 제4 클러치(820)는 열린 상태가 되어 엔진(100)이 제너레이터(300)를 통해 모터(200)에 에너지를 공급하며, 모터(200)의 동력이 디퍼런셜(400)에 전달되어 액슬(410) 및 휠(420)을 구동시킨다.
충전 모드인 경우 제너레이터(300)에 공급되는 에너지 중 일부는 인버터(500)로 보내져 배터리(600)의 충전에 사용된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 병렬 하이브리드 모드에서는 엔진(100)과 모터(200) 및 제너레이터(300)가 디퍼런셜(400)에 동력을 동시에 전달해 액슬(410)과 휠(420)을 구동시키며, 배터리의 SOC 및 동력 요구량에 따라 다음과 같이 제어된다.
먼저 엔진(100)과 모터(200)가 작동하는 경우는 일반적인 병렬 하이브리드 모드로, 제2 클러치(720)와 제3 클러치(810)가 닫혀 엔진(100)과 모터(200)의 동력이 디퍼런셜(400)에 전달되어 액슬(410)과 휠(420)을 구동시킨다. 이때 배터리(600)에 저장된 전력을 인버터(500)에서 변환하여 모터(200)로 보내주게 된다.
다음으로 엔진(100)과 모터(200) 및 제너레이터(300)가 동시에 작동되는 경우는 높은 수준의 SOC 요구 및 동력의 추가 발생이 필요한 경우로, 제1 클러 치(710)와 제2 클러치(720) 및 제3 클러치(810)와 제4 클러치(820)가 모두 닫혀 엔진(100)과 모터(200) 및 제너레이터(300)의 동력이 디퍼런셜(400)에 전달되어 액슬(410) 및 휠(420)을 구동시킨다. 이때에는 배터리(600)에 저장된 전력이 인버터(500)에 의해 변환되어 제너레이터(300)로 전달된다.
이렇게 하면 종래의 하이브리드 시스템에 비해 병렬 하이브리드 모드 영역을 확대하는 효과가 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 회생 제동 모드에서는 에너지 흐름이 EV 모드와 반대로 작용하며, 외부 부하량의 크기에 따라 다음의 2가지로 제어가 된다.
일반적인 회생 제동시에는 제3 클러치(810)가 닫혀 모터(200)만 작동되며, 모터(200)의 동력이 인버터(500)로 전달된다.
외부 제동 부하량이 큰 경우에는 제3 클러치(810) 및 제4 클러치(820)가 모두 닫혀 모터(200) 및 제너레이터(300)가 동일 RPM으로 동시에 작동하게 되며, 모터(200) 및 제너레이터(300)의 동력이 인버터(500)로 전달된다.
이렇게 하면 종래의 하이브리드 시스템에 비해 회생 제동으로 얻는 에너지양을 증대시킬 수 있어 에너지 손실을 줄이는 효과가 있다.
이러한 본 발명의 듀얼 클러치를 이용한 직렬 및 병렬 하이브리드 시스템의 경우, 기존의 직렬 및 병렬 타입의 파워 트레인 구조를 모터의 전후에 듀얼 클러치를 적용함으로써 간략하게 구현한 것으로, 별도의 변속기가 없이도 작동할 수 있어 패키지 설계에 매우 유리한 장점이 있다.
또한, 평소 일반 주행중에는 EV 모드 또는 직렬 하이브리드 모드에서 주행하 여 연비를 향상시킬 수 있고, 추가 동력이 필요할 때는 휠 액슬에 엔진의 동력을 직접 전달하는 병렬 하이브리드 모드를 구현할 수 있어 직렬 하이브리드 타입의 단점도 보완할 수 있다.
더욱이 제너레이터를 사용할 수 있는 영역을 넓힘으로써 연비 개선 효과가 향상된다.
한편 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않으며, 특허청구범위에서 청구된 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양하게 변형 실시할 수 있는 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 듀얼 클러치를 이용한 직렬 및 병렬 하이브리드 시스템을 도시한 모식도.
도 2는 본 발명에 따른 듀얼 클러치를 이용한 직렬 및 병렬 하이브리드 시스템의 EV 모드시 작동 상태를 도시한 모식도.
도 3은 본 발명에 따른 듀얼 클러치를 이용한 직렬 및 병렬 하이브리드 시스템의 충전 모드를 포함하는 직렬 하이브리드 모드시 작동 상태를 도시한 모식도.
도 4는 본 발명에 따른 듀얼 클러치를 이용한 직렬 및 병렬 하이브리드 시스템의 병렬 하이브리드 모드시 작동 상태를 도시한 모식도.
도 5는 본 발명에 따른 듀얼 클러치를 이용한 직렬 및 병렬 하이브리드 시스템의 회생제동 모드시 작동 상태를 도시한 모식도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100 : 엔진 200 : 모터
300 : 제너레이터 400 : 디퍼런셜
500 : 인버터 600 : 배터리
700 : 제1 클러치부 710 : 제1 클러치
720 : 제2 클러치 800 : 제2 클러치부
810 : 제3 클러치 820 : 제4 클러치

Claims (11)

  1. 엔진(100)과, 상기 엔진(100)의 동력을 보조하기 위한 한 쌍의 모터(200)와, 배터리(600)를 충전시키기 위한 제너레이터(300)와, 액슬(410) 및 휠(420)에 동력을 전달하여 상기 액슬(410)과 휠(420)이 각기 다른 속도로 회전하도록 하는 디퍼런셜(400)과, 상기 모터(200) 및 제너레이터(300)에 연결된 인버터(500)와, 상기 인버터(500)에 연결된 배터리(600)가 구비된 하이브리드 자동차에 있어서,
    상기 엔진(100)과 상기 모터(200)의 사이에 설치되되 상기 엔진(100)과 제너레이터(300)에 연결 설치되는 제1 클러치(710)와, 상기 엔진(100)과 한 쌍의 모터(200)에 동시에 연결 설치되는 제2 클러치(720)로 구성되는 제1 클러치부(700); 및
    상기 모터(200)와 디퍼런셜(400) 사이에 설치되고 상기 모터(200) 및 제너레이터(300)와 상기 디퍼런셜(400)에 연결되어 작동되는 제2 클러치부(800)를 포함하여 구성되며,
    상기 모터(200)와 제너레이터(300)는 동축으로 구성되는 것을 특징으로 하는 듀얼 클러치를 이용한 직렬 및 병렬 하이브리드 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 클러치부(800)는 상기 디퍼런셜(400)과 상기 한 쌍의 모터(200)와 동시에 연결 설치되는 제3 클러치(810)와, 상기 제너레이터(300)와 상기 디퍼런셜(400)에 연결 설치되는 제4 클러치(820)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 듀얼 클러치를 이용한 직렬 및 병렬 하이브리드 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 클러치부(800)는 EV 모드에서 상기 모터(200)만 작동하는 경우 상기 제3 클러치(810)가 닫혀 상기 인버터(500)에 의해 상기 배터리(600)의 동력을 전달받은 상기 모터(200)의 동력을 상기 디퍼런셜(400)에 전달하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 듀얼 클러치를 이용한 직렬 및 병렬 하이브리드 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제2 클러치부(800)는 EV 모드에서 상기 모터(200) 및 제너레이터(300)의 동시 작동이 필요한 경우 상기 제3 클러치(810) 및 제4 클러치(820)가 닫혀 상기 인버터(500)에 의해 상기 배터리(600)의 동력을 전달받은 상기 모터(200) 및 제너레이터(300)의 동력을 상기 디퍼런셜(400)에 전달하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 듀얼 클러치를 이용한 직렬 및 병렬 하이브리드 시스템.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제1 클러치부(700) 및 제2 클러치부(800)는 직렬 하이브리드 모드에서 상기 제1 클러치(710)와 제3 클러치(810)가 닫혀 상기 엔진(100)이 상기 제너레이터(300)를 통해 상기 모터(200)에 동력을 공급하여 상기 모터(200)의 동력이 상기 디퍼런셜(400)에 전달되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 듀얼 클러치를 이용한 직렬 및 병렬 하이브리드 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 클러치(710)가 닫혀 상기 엔진(100)에 의해 작동되는 상기 제너레이터(300)의 일부 동력은 상기 인버터(500)로 전달되어 상기 배터리(600)를 충전시키는 것을 특징으로 하는 듀얼 클러치를 이용한 직렬 및 병렬 하이브리드 시스템.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 제1 클러치부(700) 및 제2 클러치부(800)는 병렬 하이브리드 모드에서 상기 엔진(100)과 모터(200)의 동시 작동이 필요한 경우 상기 제2 클러치(720)와 제3 클러치(810)가 닫혀 상기 엔진(100)과 상기 인버터(500)에 의해 상기 배터리(600)의 동력을 전달받은 모터(200)의 동력이 상기 디퍼런셜(400)에 전달되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 듀얼 클러치를 이용한 직렬 및 병렬 하이브리드 시스템.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 제1 클러치부(700) 및 제2 클러치부(800)는 병렬 하이브리드 모드에서 상기 엔진(100)과 모터(200) 및 제너레이터(300)의 동시 작동이 필요한 경우 상기 제1 클러치(710) 내지 제4 클러치(820)가 모두 닫혀 상기 엔진(100)과 모터(200) 및 상기 인버터(500)에 의해 상기 배터리(600)의 동력을 전달받은 제너레이터(300)의 동력이 상기 디퍼런셜(400)에 전달되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 듀얼 클러치를 이용한 직렬 및 병렬 하이브리드 시스템.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 제2 클러치부(800)는 회생제동 모드에서 상기 모터(200)만 작동하는 경우 상기 제3 클러치(810)가 닫혀 상기 휠(420)의 회전력을 전달받은 상기 디퍼런셜(400)의 동력을 상기 모터(200)로 전달하여 상기 모터(200)의 동력이 상기 인버터(500)로 전달되는 것을 특징으로 하는 듀얼 클러치를 이용한 직렬 및 병렬 하이브리드 시스템.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 제2 클러치부(800)는 회생제동 모드에서 상기 모터(200) 및 제너레이터(300)의 동시 작동이 필요한 경우 상기 제3 클러치(810) 및 제4 클러치(820)가 모두 닫혀 상기 모터(200) 및 제너레이터(300)의 동력이 상기 인버터(500)에 전달되는 것을 특징으로 하는 듀얼 클러치를 이용한 직렬 및 병렬 하이브리드 시스템.
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