KR101000139B1 - 하이브리드 차량의 파워트레인 - Google Patents

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박종술
이창욱
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 2세트의 유성기어장치와 1개의 클러치 및 2개의 브레이크로 구성되어, 1개의 전기차모드와 2개의 하이브리드모드 및 1개의 오버드라이브 변속비의 엔진모드를 제공하며, 간단한 구조를 가짐으로써, 중량를 저감하고 차량에의 탑재성을 향상시키면서도, 동력성능 및 연비가 우수하게 확보될 수 있도록 하며, 특히 고속 정속 주행에서의 연비 향상을 위해 엔진만에 의한 구동이 가능한 엔진모드를 제공할 수 있어서 장시간의 고속도로 주행시에 연비가 더욱 향상될 수 있도록 한다.
하이브리드, 고속도로, 모터제너레이터, 엔진

Description

하이브리드 차량의 파워트레인{Power Train of Hybrid Vehicle}
본 발명은 하이브리드 차량의 파워트레인에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 구동륜에 구동력을 제공하는 동력원으로서 내연기관인 엔진과, 전기에 의해 구동되는 모터제너레이터를 사용하는 하이브리드 차량의 파워트레인 구조에 관한 기술이다.
엔진과 모터제너레이터를 사용하는 하이브리드 차량은, 저속에서는 상대적으로 저속토크특성이 우수한 모터제너레이터로부터의 동력을 구동력으로 이용하도록 하고, 고속에서는 상대적으로 고속토크특성이 우수한 엔진으로부터의 동력으로 차량이 구동되도록 하는 개념을 기반으로 하여 연비를 개선하도록 하고 있다.
또한, 하이브리드 차량은 모터제너레이터만으로 구동되는 동안에는 엔진에 의한 배기가스가 발생할 여지가 없어서, 연비 개선과 배기가스 저감의 장점을 가진 친환경적인 자동차 기술로 인정받고 있다.
상기한 바와 같은 엔진과 모터제너레이터를 구비한 하이브리드 차량에서도, 기본적으로 보다 간단한 구조로 더욱 향상된 연비특성을 발휘할 수 있도록 하려는 노력이 계속 기울여지고 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 필요성에 따라 안출된 것으로서, 보다 간단한 구조를 가짐으로써, 중량를 저감하고 차량에의 탑재성을 향상시키면서도, 동력성능 및 연비가 우수하게 확보될 수 있도록 한 하이브리드 차량의 파워트레인을 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 안출된 본 발명 하이브리드 차량의 파워트레인은
제1모터제너레이터와 출력축이 각각 별도의 요소에 연결되는 3요소의 제1유성기어장치와;
엔진과 제2모터제너레이터 및 상기 출력축이 각각 별도의 요소에 연결되는 3요소의 제2유성기어장치와;
상기 제1모터제너레이터와 출력축에 연결된 상기 제1유성기어장치의 요소들 이외의 요소를 고정할 수 있도록 설치된 제1브레이크와;
상기 제2모터제너레이터에 연결된 상기 제2유성기어장치의 요소를 고정할 수 있도록 설치된 제2브레이크와;
상기 제1브레이크에 연결된 상기 제1유성기어장치의 요소와 상기 제2브레이크에 연결된 제2유성기어장치의 요소 사이를 회전 구속 가능하게 설치된 클러치;
를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 제1유성기어장치는 싱글피니언형 유성기어장치이고, 제1선기어는 상기 제1모터제너레이터에 연결되며, 제1캐리어는 상기 출력축에 연결되고, 제1링기어는 상기 제1브레이크에 연결되며;
상기 제2유성기어장치는 싱글피니언형 유성기어장치이고, 제2선기어는 상기 제2모터제너레이터에 연결되며, 상기 제2캐리어는 상기 엔진에 연결되고, 제2링기어는 출력축에 연결되는 구조로 할 수 있다.
상기 제1유성기어장치와 제2유성기어장치는 동심축을 이루어 나란히 배치되고;
상기 제1모터제너레이터는 상기 제1유성기어장치 쪽으로 연결되며;
상기 출력축은 상기 제1캐리어를 통하여 상기 제2링기어로 연결되고;
상기 엔진은 상기 제1유성기어장치와 제2유성기어장치 사이를 통하여 상기 제2캐리어로 연결되며;
상기 제2모터제너레이터는 상기 제2유성기어장치 쪽으로 연결되는 구조로 할 수 있다.
상기 제1유성기어장치는, 레버해석도상에서, 상기 제1모터제너레이터에 연결된 요소와 상기 출력축에 연결된 요소 및 상기 클러치를 통해 상기 제2유성기어장치에 연결된 요소의 순서로 제1직선상에 배치되고;
상기 제2유성기어장치는, 레버해석도상에서 상기 제1직선에 적어도 한 점에서 만나는 제2직선상에 배치되고, 상기 클러치를 통해 상기 제1유성기어장치에 연결된 요소와 상기 엔진에 연결된 요소 및 상기 출력축에 연결된 요소의 순서로 제2직선상에 배치되어, 상기 클러치가 체결되면 상기 제1직선과 제2직선은 함께 연동하는 단일 직선을 이루도록 구성될 수 있다.
본 발명은 간단한 구조를 가짐으로써, 중량를 저감하고 차량에의 탑재성을 향상시키면서도, 동력성능 및 연비가 우수하게 확보될 수 있도록 하며, 특히 고속 정속 주행에서의 연비 향상을 위해 엔진만에 의한 구동이 가능한 엔진모드를 제공할 수 있어서 장시간의 고속도로 주행시에 연비가 더욱 향상될 수 있도록 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명 실시예는 제1모터제너레이터(1)와 출력축(3)이 각각 별도의 요소에 연결되는 3요소의 제1유성기어장치(5)와; 엔진(7)과 제2모터제너레이터(9) 및 상기 출력축(3)이 각각 별도의 요소에 연결되는 3요소의 제2유성기어장치(11)와; 상기 제1모터제너레이터(1)와 출력축(3)에 연결된 상기 제1유성기어장치(5)의 요소들 이외의 요소를 고정할 수 있도록 설치된 제1브레이크(13)와; 상기 제2모터제너레이터(9)에 연결된 상기 제2유성기어장치(11)의 요소를 고정할 수 있도록 설치된 제2브레이크(15)와; 상기 제1브레이크(13)에 연결된 상기 제1유성기어장치(5)의 요소와 상기 제2브레이크(15)에 연결된 제2유성기어장치(11)의 요소 사이를 회전 구속 가능하게 설치된 클러치(17)를 포함하여 구성된다.
즉, 2개의 유성기어장치와 1개의 클러치 및 2개의 브레이크로 구성되어 두 모터제너레이터와 동력을 주고 받을 수 있도록 되어 있으며, 엔진(7)으로부터 동력을 전달받고 출력축(3)을 통해 변속된 동력을 인출할 수 있도록 된 것이다.
본 실시예에서 상기 제1유성기어장치(5)는 싱글피니언형 유성기어장치이고, 제1선기어는 상기 제1모터제너레이터(1)에 연결되며, 제1캐리어는 상기 출력축(3)에 연결되고, 제1링기어는 상기 제1브레이크(13)에 연결된다.
상기 제2유성기어장치(11)도 싱글피니언형 유성기어장치이고, 제2선기어는 상기 제2모터제너레이터(9)에 연결되며, 상기 제2캐리어는 상기 엔진(7)에 연결되고, 제2링기어는 출력축(3)에 연결된다.
상기 제1유성기어장치(5)와 제2유성기어장치(11)는 동심축을 이루어 나란히 배치되고, 상기 제1모터제너레이터(1)는 상기 제1유성기어장치(5) 쪽으로 연결되며, 상기 출력축(3)은 상기 제1캐리어를 통하여 상기 제2링기어로 연결되고, 상기 엔진(7)은 상기 제1유성기어장치(5)와 제2유성기어장치(11) 사이를 통하여 상기 제2캐리어로 연결되며, 상기 제2모터제너레이터(9)는 상기 제2유성기어장치(11) 쪽으로 연결된다.
즉, 상기 제1캐리어와 제2링기어는 서로 직결된 상태로 상기 제1캐리어가 상기 출력축(3)에 연결되어 일체로 회전하도록 되어 있으며, 상기 제1링기어에는 제1브레이크(13)와 클러치(17)가 연결되고 상기 제2선기어에는 제2브레이크(15)와 클러치(17)가 연결되어, 상기 클러치(17)가 체결되지 않은 상태에서는 각각 제1브레이크(13)와 제2브레이크(15)의 작동에 의해 상기 제1링기어와 제2선기어가 각각 고정되지만, 상기 클러치(17)가 체결된 상태에서는 상기 제1브레이크(13)나 제2브레이크(15) 중 어느 하나가 작동되면 상기 제1링기어와 제2선기어 모두가 함께 고정되도록 된 것이다.
또한, 상기 제2선기어에는 상기 제2모터제너레이터(9)가 직접 연결되어 있어서, 상기 제2모터제너레이터(9)는 상기 제2브레이크(15)의 작동에 의해 상기 제2선기어와 함께 고정되게 되며, 상기 클러치(17)가 작동되는 경우에는 상기 제1링기어와도 연동하게 된다.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 상기 제1유성기어장치(5)는, 레버해석도상에서, 상기 제1모터제너레이터(1)에 연결된 요소와 상기 출력축(3)에 연결된 요소 및 상기 클러치(17)를 통해 상기 제2유성기어장치(11)에 연결된 요소의 순서로 제1직선(19)상에 배치되고;
상기 제2유성기어장치(11)는, 레버해석도상에서 상기 제1직선(19)에 적어도 한 점에서 만나는 제2직선(21)상에 배치되고, 상기 클러치(17)를 통해 상기 제1유성기어장치(5)에 연결된 요소와 상기 엔진(7)에 연결된 요소 및 상기 출력축(3)에 연결된 요소의 순서로 제2직선(21)상에 배치되어, 상기 클러치(17)가 체결되면 상기 제1직선(19)과 제2직선(21)은 함께 연동하는 단일 직선을 이루도록 구성된다.
즉, 상기 제1직선(19)상에는 제1선기어와 제1캐리어 및 제1링기어 순서로 배치되고, 상기 제2직선(21)상에는 제2선기어와 제2캐리어 및 제2링기어의 순서로 배치되어, 상기 제2링기어가 상기 제1캐리어와 함께 출력축(3)에 연결되므로 한 점 을 이루어, 상기 제2직선(21)의 일단이 이 점에서 상기 제1직선(19)과 항상 만나도록 된 것이다.
상기 클러치(17)가 체결되면, 상기 제2선기어와 제1링기어가 한 점을 이루도록 상기 제2직선(21)이 상기 제1직선(19)에 겹쳐져서, 상기 제2직선(21)의 엔진(7)에 연결되는 제2캐리어의 위치는 상기 제1직선(19)상의 제1링기어와 제1캐리어 사이에 위치하게 된다.
여기서, 상기 레버해석도상의 상기 유성기어장치들의 요소들의 배치상태는 물론, 각 요소들의 상대적인 기어비를 반영하고 있는 것이다.
도 2 내지 도 6을 참조하여, 본 발명 하이브리드 차량의 파워트레인 실시예의 각 모드별 작용을 설명한다.
도 2는 엔진(7)은 작동하지 않고 모터제너레이터에 의해 차량을 구동하는 전기차모드의 상태를 설명하고 있다.
상기 제1브레이크(13)가 체결되고 상기 클러치(17)와 제2브레이크(15)는 해제된 상태로서, 상기 제1모터제너레이터(1)에서 발생된 토크는 상기 제1선기어를 통해 공급되어, 상기 제1유성기어장치(5)의 기어비에 따라 감속되어 상기 제1캐리어를 통해 출력축(3)으로 인출된다.
이하에서는, 상기 출력축(3)의 회전방향을 정방향으로 하고, 그 반대 방향을 역방향으로 칭하기로 한다.
이때, 상기 엔진(7)은 정지한 상태이므로, 상기 제2선기에 연결된 제2모터 제너레이터(9)는 토크 없이 역방향으로 회전하게 된다.
상기 전기차모드에서 역방향으로 회전하던 상기 제2모터제너레이터(9)를 도 3과 같이 정방향으로 회전시키면, 상기 엔진(7)의 회전속도가 상승되어 시동이 가능해진다.
여기서, 상기 제1브레이크(13)는 체결되고, 상기 제2브레이크(15) 및 클러치(17)는 해제된 상태이다.
상기 엔진(7)의 시동이 이루어져 상기 엔진(7)으로부터 토크가 공급되면, 상기 출력축(3)으로는 상기 제1모터제너레이터(1)에서 공급하는 동력과 상기 엔진(7)에서 공급하는 동력이 함께 인출되면서 제1하이브리드모드를 구현하게 된다.
이때, 상기 제2모터제너레이터(9)는 상기 엔진(7)의 토크에 따라 반력을 제공하는 제너레이터로 기능하면서 실질적인 변속비 제어를 담당하게 된다.
상기 제1모터제너레이터(1)는 상기 제1링기어가 상기 제1브레이크(13)에 의해 고정되어 있으므로, 변속비를 제어할 수는 없고, 단지 모터의 기능을 수행하면서 상기 제1캐리어를 통해서 출력축(3)으로 토크를 전달하는 기능을 수행한다.
도 4는 상기 제1하이브리드모드와는 다른 제2하이브리드모드를 제시하고 있는 바, 상기 제1하이브리드모드에서 변속비 제어를 통해 상기 제2선기어의 속도가 0가 되도록 한 상태에서, 상기 클러치(17)를 체결하고 제1브레이크(13)를 해제하여 제2하이브리드모드로 진입한다.
상기와 같이 클러치(17)를 체결하면, 상기 제1유성기어장치(5)와 제2유성기어장치(11)가 레버해석도상에서, 모두 하나의 단일 직선상의 레버를 형성하게 된다.
제2하이브리드모드에서는 상기 제1모터제너레이터(1)는 역방향으로 회전하면서 모터로서의 기능을 수행하고, 상기 제2모터제너레이터(9)는 제너레이터의 기능을 수행하면서 상기 제1하이브리드모드와는 다른 새로운 하이브리드모드를 구현한다.
상기 제2하이브리드모드에서 변속비 제어를 통해 상기 제1링기어와 제2선기어의 속도가 0이 되도록 한 후, 상기 제2브레이크(15)를 체결하고 상기 클러치(17)를 해제하며, 상기 제1모터제너레이터(1)와 제2모터제너레이터(9)의 토크를 제거하면, 상기 제2유성기어세트에만 토크가 걸리면서 실질적으로는 엔진(7)의 토크만으로 차량이 구동되는 엔진모드 상태가 된다.
도 5는 상기한 바와 같은 엔진모드 상태를 도시하고 있는 것으로서, 상기 제1모터제너레이터(1)가 정지해 있는 경우의 관계를 표시한 것이다.
즉, 도 5의 레버해석도를 참조하면, 상기 제1모터제너레이터(1)가 고정된 상태이고 상기 제2모터제너레이터(9)도 상기 제2브레이크(15)에 의해 고정된 상태로서, 상기 제1모터제너레이터(1)와 제2모터제너레이터(9)가 실질적으로 정지해 있어서 기계적 에너지와 전기적 에너지의 변환에 따른 손실이 없고 가장 효율이 좋은 미케니컬포인트를 이루고 있다.
이때, 상기 엔진(7)에서 상기 제2캐리어로 공급되는 회전속도에 비해 상기 출력축(3)의 회전속도가 크므로, 오버드라이브 변속비 상태가 형성되므로, 이와 같은 상태는 고속도로 등과 같이 고속으로 안정되게 장시간 주행하는 경우에 매우 높은 연비를 얻을 수 있도록 한다.
이상과 같이 본 발명의 파워트레인은 2세트의 유성기어장치와 1개의 클러치(17) 및 2개의 브레이크로 구성되어, 1개의 전기차모드와 2개의 하이브리드모드 및 1개의 오버드라이브 변속비의 엔진모드를 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 파워트레인의 구조를 설명한 도면,
도 2는 도 1의 파워트레인이 전기차모드를 구현하는 상태를 설명한 동력흐름도 및 레버해석도,
도 3은 도 1의 파워트레인이 제1하이브리드모드를 구현하는 상태를 설명한 동력흐름도 및 레버해석도,
도 4는 도 1의 파워트레인이 제2하이브리드모드를 구현하는 상태를 설명한 동력흐름도 및 레버해석도,
도 5은 도 1의 파워트레인이 엔진모드를 구현하는 상태를 설명한 동력흐름도 및 레버해석도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>
1; 제1모터제너레이터 3; 출력축
5; 제1유성기어장치 7; 엔진
9; 제2모터제너레이터 11; 제2유성기어장치
13; 제1브레이크 15; 제2브레이크
17; 클러치 19; 제1직선
21; 제2직선

Claims (4)

  1. 제1모터제너레이터와 출력축이 각각 별도의 요소에 연결되는 3요소의 제1유성기어장치와;
    엔진과 제2모터제너레이터 및 상기 출력축이 각각 별도의 요소에 연결되는 3요소의 제2유성기어장치와;
    상기 제1모터제너레이터와 출력축에 연결된 상기 제1유성기어장치의 요소들 이외의 요소를 고정할 수 있도록 설치된 제1브레이크와;
    상기 제2모터제너레이터에 연결된 상기 제2유성기어장치의 요소를 고정할 수 있도록 설치된 제2브레이크와;
    상기 제1브레이크에 연결된 상기 제1유성기어장치의 요소와 상기 제2브레이크에 연결된 제2유성기어장치의 요소 사이를 회전 구속 가능하게 설치된 클러치;
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 파워트레인.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1유성기어장치는 싱글피니언형 유성기어장치이고, 제1선기어는 상기 제1모터제너레이터에 연결되며, 제1캐리어는 상기 출력축에 연결되고, 제1링기어는 상기 제1브레이크에 연결되며;
    상기 제2유성기어장치는 싱글피니언형 유성기어장치이고, 제2선기어는 상기 제2모터제너레이터에 연결되며, 제2캐리어는 상기 엔진에 연결되고, 제2링기어는 출력축에 연결되는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 파워트레인.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1유성기어장치와 제2유성기어장치는 동심축을 이루어 나란히 배치되고;
    상기 제1모터제너레이터는 상기 제1유성기어장치 쪽으로 연결되며;
    상기 출력축은 상기 제1캐리어를 통하여 상기 제2링기어로 연결되고;
    상기 엔진은 상기 제1유성기어장치와 제2유성기어장치 사이를 통하여 상기 제2캐리어로 연결되며;
    상기 제2모터제너레이터는 상기 제2유성기어장치 쪽으로 연결되는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 파워트레인.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1유성기어장치는, 레버해석도상에서, 상기 제1모터제너레이터에 연결된 요소와 상기 출력축에 연결된 요소 및 상기 클러치를 통해 상기 제2유성기어장치에 연결된 요소의 순서로 제1직선상에 배치되고;
    상기 제2유성기어장치는, 레버해석도상에서 상기 제1직선에 적어도 한 점에서 만나는 제2직선상에 배치되고, 상기 클러치를 통해 상기 제1유성기어장치에 연결된 요소와 상기 엔진에 연결된 요소 및 상기 출력축에 연결된 요소의 순서로 제2 직선상에 배치되어, 상기 클러치가 체결되면 상기 제1직선과 제2직선은 함께 연동하는 단일 직선을 이루도록 구성된 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 파워트레인.
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