KR101059017B1 - 다수의 전동모터를 이용한 모터 변속장치, 이를 포함하는 동력전달장치 및 모터 변속장치를 구비한 하이브리드 자동차 - Google Patents

다수의 전동모터를 이용한 모터 변속장치, 이를 포함하는 동력전달장치 및 모터 변속장치를 구비한 하이브리드 자동차 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기자동차 또는 하이브리드 자동차의 변속장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 다수의 전동모터 및 이에 동력연결되는 구동기어들과 피동기어들로 구성되어 자동차의 전륜 또는 후륜을 독립적으로 구동하기 위한 모터 변속장치 및 이를 이용한 하이브리드 자동차에 관한 것이다.
본 발명에서는 내연기관 엔진이 자동차의 전륜 또는 후륜 중에서 선택되는 어느 하나의 차륜축의 구동을 담당하는 자동차에 장착되어 상기 내연기관 엔진이 구동하지 않는 나머지 하나의 차륜축의 구동을 담당하는 것으로서, 배터리에 연결되는 적어도 2개 이상의 전동모터 및 각 전동모터의 모터축 상에 직결하여 동력연결되는 구동기어들 및 이와 치합하는 피동기어들로 구성하되, 상기 전동모터는 전륜 또는 후륜의 차륜축 상에 있지 않고, 상기 구동기어들의 개수는 상기 전동모터들의 개수와 동일하며, 상기 피동기어들의 개수는 상기 전동모터들의 개수보다 작거나 같으며, 상기 각 전동모터에 대응하는 구동기어와 이에 치합하는 피동기어 간의 기어비는 각 전동모터별로 상이하며, 선택된 어느 하나의 전동모터가 동력원으로서 구동할 때 나머지 전동모터들은 모두 발전기의 역할을 하거나 공회전하고 동시에 두 개 이상의 전동모터가 동력원으로서 구동하지는 않는 것을 특징으로 하는 자동차용 모터 변속장치 및 이를 이용한 하이브리드 자동차에 관하여 개시한다.
전기자동차, 하이브리드 자동차, 전륜, 후륜, 전륜축, 후륜축, 엔진, 무단 변속기, 전동모터, 구동모터, 구동기어, 피동기어, 차동기어, 배터리, 발전기, 플러그 인 어댑터, 기어비, 기어박스, 모터 변속장치, 공통기어, 공유기어

Description

다수의 전동모터를 이용한 모터 변속장치, 이를 포함하는 동력전달장치 및 모터 변속장치를 구비한 하이브리드 자동차{Motor transmission with multiple electric motors, power delivering device having the same, and a hybrid car using the same}
본 발명은 모터 변속장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리에 연결되어 발전기의 역할을 겸하는 다수의 전동모터와 이들로부터 동력연결되어 구동하는 구동기어 및 피동기어의 조합으로 이루어지는 독립식 모터 변속장치 및 엔진이 담당하지 않는 다른 하나의 차륜축의 구동을 상기 모터 변속장치가 담당하도록 한 하이브리드 자동차에 관한 것이다.
도 1은 종래의 일반적인 후륜구동 자동차의 차동기어의 개략적인 기어 배치도이다. 후륜구동(FR) 방식의 자동차에서는 엔진의 변속 동력을 후륜축(1)에 전달하기 위하여 도시한 것과 같은 차동기어(10)를 채택하고 있다. 차동기어(10)는 후륜축(1)에 연결되는 링기어(12) 및 차동 사이드 기어(14), 차동 피니언(15) 및 엔진의 동력을 전달하는 구동축 피니언(11)으로 이루어진다.
도 2는 종래의 일반적인 전륜구동 자동차의 차동기어의 개략적인 기어 배치도이다. 전륜구동(FF) 방식의 자동차에서는 엔진에 동력연결되는 변속기의 출력축에 연결된 제 2기어(22)가 전륜축(2) 상에 형성되는 제1 기어(21)에 치합하여 차동기어(20)에 동력을 전달하도록 구성하는 것이 일반적이다.
이러한 차동기어 장치는 내연기관 엔진을 채택한 종래의 자동차들에서 동력을 전륜 또는 후륜 측에 전달하기 위하여 일반적으로 채택하는 구조이다.
최근 무공해 차량의 대표적인 형태로는 동력원으로 모터와 축전지를 이용한 전기자동차와 수소를 동력원으로 이용한 수소 자동차 그리고 태양열을 동력원으로 이용하는 태양열 자동차 등이 있으며, 기술 및 상업적 측면에서 상대적으로 높은 가능성으로 인하여 오랜 기간 동안 전기자동차의 개발이 진행되어 왔다. 그러나 많은 노력에도 불구하고 축전기 기술의 한계로 인하여 전기자동차의 상업화 시점은 매우 불투명한 것으로 보인다.
게다가 종래의 전기자동차의 경우에는 하나의 축전지 또는 수소탱크에서 전달되는 전기에너지를 변속기에 동력연결되는 단일의 모터가 받아 차륜축의 구동을 담당하게 되는데, 이 경우에는 매우 고성능인 모터의 개발을 요한다는 문제가 있다.
이와 같이 축전지 기술의 한계로 인한 전기자동차의 상업화 시기가 지연됨에 따른 대체 방안의 하나로 하이브리드카(Hybrid vehicle)의 개발이 본격화 되었다. 하이브리드카는 그동안 발전되어온 가솔린 자동차의 기술과 전기자동차의 기술을 적절히 조합한 자동차의 형태로 연비의 향상과 배기가스의 절감이라는 이익을 얻을 수 있다. 즉, 하이브리드(Hybrid)는 잡종, 혼합이란 뜻으로 하이브리드카는 두 가지 이상의 동력, 예를 들어 가솔린 엔진과 전기모터, 디젤엔진과 전기모터 등을 결합해 연비와 배기가스를 개선하고, 출력을 높일 수 있는 자동차를 말한다.
최근 세계적으로 각 완성차 업계의 하이브리드카 개발 노력을 정부가 적극 지원하면서 하이브리드카 시장 개발 노력이 점차 뜨거워지고 있다. 현재 하이브리드카 시장은 일본 업체들이 주도하고 있으며, 도요타의 렉서스 및 프리우스, 혼다의 시빅 등의 하이브리드카가 이미 시판 중에 있으며, 현대자동차의 클릭 하이브리드와 베르나 하이브리드 등도 조만간 본격적인 양산에 들어갈 계획이라고 한다.
하이브리드카는 동력원의 사용방법에 따라 다양한 구조와 주행방법을 가진다. 그 중 가장 널리 개발되고 있는 대표적인 형태의 하이브리드카는 병렬형 하이브리드카(parallel hybrid vehicle)와 직렬형 하이브리드카(series hybrid vehicle)로 나눌 수 있으며, 여기에 도요타는 병렬형과 직렬형의 장점을 혼합한 직병렬형 형태의 하이브리드카를 생산하고 있다.
도 3은 병렬식 하이브리드카의 동력 계통의 일 예를 보인 구성도이고, 도 4는 직렬식 하이브리드카의 동력 계통의 일 예를 보인 구성도이며, 도 5는 직병렬 혼합 형식의 하이브리드카의 동력 계통의 일 예를 보인 구성도이다. 도 3의 병렬형 하이브리드 전기자동차는 전기자동차와 마찬가지로 모터와 축전지를 동력원으로 이용해 자동차를 구동시키며, 동시에 또는 독립적으로 엔진 등 내연기관을 직접 구동시킨다.
직렬형 하이브리드 전기자동차는 모터와 축전지를 주력원으로 이용해 자동차 를 구동시키며, 엔진 등의 내연기관에서 발생하는 기계적 에너지를 발전기를 이용하여 전기에너지로 전환하여 동력원으로 이용한다.
직병렬 하이브리드 전기자동차는 전술한 직렬과 병렬식을 혼합한 형태로서 각각의 장점을 조합하여 완성한 형태의 하이브리드 전기자동차이다.
그런데 전술한 하이브리드카는 엔진 및 엔진과 변속기를 공유하는 구동모터가 전륜 또는 후륜에 장착되어 전륜 또는 후륜을 구동하도록 되어 있으며, 출발시에는 구동모터가 구동되며, 가속시에는 구동모터가 엔진의 출력을 보조한다. 이후 정속 주행시에는 엔진만이 구동되고 구동모터는 발전기의 역할로 전환되어 엔진으로부터 기계적 에너지를 전기에너지로 전환하여 배터리에 충전하게 된다.
도 6은 종래의 4륜 구동방식의 하이브리드카의 동력 계통의 일 예를 보인 구성도이다. 가솔린 등을 연료로 사용하는 내연기관 엔진과 구동모터가 담당하는 종래의 전륜 또는 후륜 구동방식의 하이브리드카에서 탈피하여 4륜 구동모드가 제안되었는데, 도 6은 도요타 자동차에서 제안한 렉서스 하이브리드카의 4륜 구동 모델의 동력 계통도를 나타낸 것이다. 여기서는 발전기(35)와 전동모터(33)가 각각 가솔린 엔진(31)에 연결되어 전륜의 구동을 담당하고 이와는 별도의 전동모터(37)가 후륜의 차축에 연결되어 후륜의 구동을 담당한다. 따라서, 일반적인 자동차에서의 4륜 구동모드가 하이브리드카에서도 구현될 수 있게 되었다. 도면의 미설명부호 32는 동력분할장치(power splitting device)이고, 34는 동력제동장치이며, 36은 배터리이다.
그러나, 전술한 종래의 하이브리드카들에서는 고속 회전 영역에서의 특성이 우수한 전동모터가 이와는 출력 특성이 다른 엔진과 변속기(주로 CVT 변속기를 채택함)를 공유하면서 차축의 회전 구동을 담당하므로 모터 출력의 일 부분을 감쇄시키는 효과가 발생하여 비경제적이라는 문제가 있다. 게다가, 고속 주행시에는 주로 엔진만이 구동하여 이륜모드로 운행하게 되고 이때 전동모터는 발전기로 역할이 전환되어 엔진의 기계적 에너지의 일부를 전기에너지로 전환하여 배터리에 충전하게 되는데, 그 충전효율이 만족스럽지 못하다는 문제가 있다. 도 6의 경우에도 전동모터 하나가 후륜 측의 차축에 연결되어 후륜의 구동을 담당함으로써 4륜 구동을 가능하게 하나, 이 경우에는 한정된 배터리의 전력을 그대로 소모하여 후륜을 구동하게 되므로 에너지 효율면에서 만족스럽지 못하다는 문제가 있다. 게다가 모터 하나가 후륜의 회전을 모두 담당하므로 매우 높은 출력과 토크 성능을 가지는 모터가 요구되며, 장시간 사용에 따른 모터의 성능저하를 피할 수 없게 된다는 문제가 있다. 또한, 이러한 성능을 구비한 모터는 매우 고가이므로 자연적으로 하이브리드카의 제작비를 증가시켜 하이브리드카의 대중화에 역행하게 된다.
따라서, 안정적으로 4륜 구동모드를 수행하면서도 에너지를 효율적으로 분배하고 차축의 회전으로 인한 손실 에너지를 최대한 회수할 수 있는 구조를 가지는 새로운 개념의 모터 변속장치의 개발이 절실히 요청되고 있다.
본 발명은 전술한 종래의 문제점에 착안하여 이루어진 것으로서, 본 발명에서는 배터리에 연결된 다수의 전동모터들과 이에 동력연결된 구동기어 및 피동기어들을 조합하여 전륜 또는 후륜축의 구동을 선택하여 담당하게 함으로써 변속기에서 종래의 클러치나 싱크로 기구를 생략할 수 있게 하며, 에너지 효율을 높이고 버려지는 에너지를 용이하게 회수하고자 한다.
또한, 엔진의 변속기와 모터 변속장치를 조합함으로써 기어비를 다양하게 설계 및 조정하고 기어박스의 부피를 감소시킴으로써 엔진룸 공간 설계의 최적화 및 차량 중량의 감소로 인한 연비를 증가시키고자 한다.
본 발명에서는 엔진과 다수의 전동모터들을 조합하여 차륜축의 구동을 분담하게 하여 각각 최적의 운전 구간에서 엔진과 전동모터들이 기동할 수 있도록 하여 엔진과 모터의 시너지 효과를 극대화하며 아울러 하나의 모터만을 지속적으로 사용하지 않고 교번하여 사용함으로써 모터의 제작비용을 줄이고 모터 수명을 연장시켜 자동차의 제작 및 유지관리비용을 절감하고자 한다.
전술한 기술적 과제의 해결을 위하여 본 발명의 일 측면에 의하면, 내연기관 엔진이 자동차의 전륜 또는 후륜 중에서 선택되는 어느 하나의 차륜축의 구동을 담당하는 자동차에 장착되어 상기 내연기관 엔진이 구동하지 않는 나머지 하나의 차륜축의 구동을 담당하는 것으로서, 배터리에 연결되는 적어도 2개 이상의 전동모터 및 각 전동모터의 모터축 상에 직결하여 동력연결되는 구동기어들 및 이와 치합하는 피동기어들로 구성하되, 상기 전동모터는 전륜 또는 후륜의 차륜축 상에 있지 않고, 상기 구동기어들의 개수는 상기 전동모터들의 개수와 동일하며, 상기 피동기어들의 개수는 상기 전동모터들의 개수보다 작거나 같으며, 상기 각 전동모터에 대응하는 구동기어와 이에 치합하는 피동기어 간의 기어비는 각 전동모터별로 상이하며, 선택된 어느 하나의 전동모터가 동력원으로서 구동할 때 나머지 전동모터들은 모두 발전기의 역할을 하거나 공회전하고 동시에 두 개 이상의 전동모터가 동력원으로서 구동하지는 않는 것을 특징으로 하는 자동차용 모터 변속장치가 제공된다.
여기서, 상기 피동기어들은 차륜축의 회전을 위한 차동기어에 동력 연결되는 구동축 상에 형성될 수 있다. 또는 상기 피동기어들은 차동기어에 동력 연결되는 차륜축 상에 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 의하면, 상기 모터 변속장치와 차륜축에 연결되는 차동기어를 포함하여 이루어지는 자동차의 동력전달 장치가 제공된다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 의하면, 상기 모터 변속장치가 전륜 또는 후륜 중에서 선택되는 어느 하나의 구동을 담당하고, 나머지 하나의 구동은 엔진이 담당하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차가 제시된다.
여기서, 상기 엔진은 배터리에 연결되는 구동모터 및 무단 변속기(CVT)와 결합하여 전륜 또는 후륜의 구동을 담당하도록 할 수 있다.
또한, 외부에서 전기를 충전하기 위한 플러그 인 어댑터를 상기 배터리에 연결하여 구성할 수도 있다.
본 발명에 의하면 다수의 전동모터 및 이와 동력연결되는 구동기어 및 피동기어로 구성되는 모터 변속장치를 사용하여 차륜축의 구동이 가능하므로 종전의 변속기에서처럼 클러치와 싱크로 기구 등이 필요없어 변속기 구성이 간단해 진다. 또한, 단일의 고성능 전동모터만으로 자동차를 구동하는 경우에 비하여 일반적인 성 능을 가지는 저렴한 다수의 전동모터를 채택하여 각 모터의 최적 성능 구간에서만 기동하도록 구성할 수 있으므로 변속장치의 제작 및 유지보수 비용이 저렴해진다는 장점이 있다. 아울러, 어느 하나의 전동모터가 기동하는 경우 나머지 전동모터는 발전기의 역할을 하게 됨으로써 차륜축의 회전으로 인하여 손실되는 기계적 에너지의 일부를 회수할 수 있다는 장점이 있다.
게다가 다수의 전동모터 및 이와 동력연결되는 구동기어 및 피동기어가 자동차의 전륜 또는 후륜의 구동을 독립적으로 담당하게 할 수 있으므로 엔진의 출력을 보조할 수 있게 되어 엔진의 크기나 출력을 경제적으로 작게 설계할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 다수의 전동모터로 구성되는 모터 변속장치가 하나의 차륜축의 구동을 담당하므로 4륜 구동모드의 채택이 가능하며, 각 전동모터는 필요한 경우 엔진과 조화하여 교번하여 작동하므로 하나의 전동모터가 기동하는 동안 나머지 모터들은 발전기의 역할을 수행하게 되므로 손실 에너지의 회수효율이 우수하여 결과적으로 에너지 효율이 매우 우수하다는 장점이 있다.
그리고 종래 하나의 전동모터가 후륜의 구동을 담당하는 경우에 비하여 출력 및 토크 성능이 약간 떨어지는 전동모터를 채택하더라도 각 전동모터는 각자의 가동범위에서 필요한 성능만을 구비하면 되므로 모터의 제작비용이 저렴하며, 따라서 자동차의 제작비용 및 유지관리비용이 저렴해진다는 장점이 있다.
추가적으로 출발, 저속 및 후진 등의 변속단수를 전동모터가 담당할 수 있도록 구성되므로 엔진의 기어박스에서 1단 및 후진 기어 등을 생략할 수 있어 엔진 변속기의 기어박스의 부피를 줄일 수 있어 엔진 룸의 공간활용을 최적화 할 수 있 으며 차량 중량의 감소로 인한 연비개선의 효과도 있다.
마지막으로, 이러한 모터 변속장치를 채택한 차량에 플러그 인 어댑터를 장착하면 보다 값싼 심야 전기를 이용하여 배터리를 충전할 수 있으므로 매우 경제적이라는 잇점이 있다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구성과 작동원리를 보다 상세하게 설명한다.
도 7a 내지 7c는 본 발명의 실시예들에 따른 모터 변속장치의 구성도이다. 도 7a 도시한, 본 실시예의 모터 변속장치(40)는 기본적으로 배터리(47), 2개의 전동모터(41:MG1,42:MG2) 및 차동기어(45)로 구성된다. 상기 제1,2 전동모터(41,42)는 배터리(47)에 연결되어 전력을 공급받는다. 상기 제1 전동모터(41) 및 제2 전동모터(42)는 각각의 모터축에 결합한 제1,2 구동기어(41a,42a)와 이에 치합하는 제1,2 피동기어(41b,42b)에 동력을 전달한다. 상기 제1,2 피동기어(41b,42b)는 전동모터의 회전력을 구동축(48) 및 이와 동력연결되는 차동기어(45)를 거쳐 차륜축(46)에 전달한다. 이때, 제1 전동모터(41) 및 제2 전동모터(42)는 선택적으로 기동한다. 즉, 제1 전동모터(41)가 회전동력을 제공하여 차동기어(45)를 통하여 차륜축(46)을 구동하는 경우에 제2 전동모터(42)는 발전기의 역할을 하여 구동축(48)의 회전에너지를 전기에너지로 전환하여 배터리(47)에 저장한다. 예를 들어, 정지에서 출발시에는 비교적 큰 토크를 필요로 하므로 기어비가 큰 제1 전동모터(41)가 구동하고 제2 전동모터(42)는 발전기의 역할을 하며, 주행 중에 제2 전 동모터(42)로 동력원이 변경되면 제1 전동모터(41)는 발전기의 역할로 전환되어 전기에너지를 배터리(47)에 저장하게 되는 것이다. 따라서, 자동차가 주행하고 있는 동안은 항상 발전이 일어나게 되어 배터리(47)를 저장하게 된다. 후진은 제1 전동모터(41)에 공급되는 전류의 방향을 역으로 하면 된다. 상기 전동모터들 각각에 결합하는 구동기어(41a,42a) 및 피동기어(41b,42b) 간의 기어비는 다양하게 선택하여 조합할 수 있는데, 이는 차량 및 모터의 성능 등을 조합하여 결정할 수 있다. 예를 들어, 제1 전동모터(41)의 구동기어(41a) 및 피동기어(41b)의 기어비를 1:4로 하고, 제2 전동모터(42)의 구동기어(42a) 및 피동기어(42b)의 기어비를 1:1로 할 수 있다. 이렇게 되면, 출발시 및 저속 구간에서는 제1 전동모터(41)가 기동하고 고속 구간에서는 제2 전동모터(42)가 기동하게 될 것이다. 그러나, 이러한 구동기어 및 피동기어 간의 기어비는 모터의 종류나 성능을 고려하여 다양하게 조합할 수 있으며, 각 전동모터의 구동기어와 피동기어의 기어비를 같게 할 수도 있다. 이 경우에는 각 전동모터의 종류나 성능을 달리하면 되기 때문이다.예를들어, 고속 회전 특성은 약하나 토크가 큰 전동모터를 저단에 채택하고 토크는 작으나 고속 회전 특성이 좋은 모터를 고단에 채택하면 될 것이다.
도 7b에 도시한 모터 변속장치(50)는 도 7a의 기어 구성에 변화를 준 것이며 나머지 구성은 도 7a의 경우와 같다. 즉, 본 실시예에서는 구동축(58) 상에 형성되는 피동기어(51b,52b)를 일체로 형성한 공통기어를 도입하였다. 이러한 공통기어를 사용하게 되면 구동축(58)의 길이가 짧아져 동력 손실이 줄어들며, 모터 변속기(50)가 차지하는 부피를 줄일 수 있게 된다. 나머지 구성요소와 그 기능은 전술한 도 7a의 실시에에서와 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다.
도 7c에 도시한 실시예에서는, 제1,2 전동모터(61,62) 각각에 연결되는 제1,2 구동기어(61a,62a)가 하나의 공유기어(61b=62b)에 치합하여 회전력을 구동축(68)에 전달한다. 즉, 두 구동기어(61a,62a)가 하나의 피동기어(61b=62b)를 공유하는 것이다. 이렇게 하면, 소요 기어의 개수를 줄여 제작비를 절감할 수 있으며, 차체를 경량화하게 되고, 동력손실을 예방할 수 있게 된다는 장점이 있다. 이 경우에도 각 구동기어 및 피동기어인 공유기어 사이의 기어비는 같거나 다르게 하는 것이 가능하다.
도 8a 내지 8c는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 모터 변속장치의 구성도이다. 여기서는 전술한 실시예들에서와는 달리 모두 4개의 전동모터를 사용하여 하나의 모터 변속장치를 구현하는 예들을 보여주고 있다.
도 8a의 실시예에서 모터 변속장치(70)는 제1 내지 제4의 전동모터(71:MG1, 72:MG2, 73:MG3, 74:MG4), 배터리(77), 각 전동모터에 동력연결되는 제1 내지 제4의 구동기어(71a~74a) 및 제1 내지 제4의 피동기어(71b~74b)를 포함하여 구성된다.
제1 내지 제4 전동모터(71~74)의 모터축에 각각 결합하는 제1 내지 제4 구동기어(71a~74a)는 차동기어(75)에 회전 가능하게 축결합하는 차륜축(76) 상에 형성되는 제1 내지 제4 피동기어(71b~74b)에 각각 치합한다. 각 전동모터는 배터리(77)에 연결되어 전력을 제공 받아 구동하며, 한 개의 전동모터만이 기동하는 동안에 나머지 전동모터들은 발전기로 역할이 전환되어 배터리(77)에 전력을 축적한다. 제1 내지 제4 전동모터(71~74)는 각 기어단수에 맞는 특성을 가지는 각기 다른 종 류와 성능의 모터들로 구성될 수 있다. 즉, 구동기어와 피동기어 간의 기어비가 가장 큰 제1 전동모터(71)로는 높은 토크 성능을 가지는 모터를 채택하고 기어비가 가장 작은 제4 전동모터(74)로는 높은 회전수를 가지는 모터를 채택하면 될 것이다. 따라서, 2상 내지 8상의 모터를 선택적으로 조합하여 사용하면 각 전동모터의 기어단수에 맞는 모터의 설정 및 기어비의 설정이 용이하게 수행될 수 있을 것이다. 각 구동기어와 피동기어의 기어비를 같게 할 수도 있는데 이때는 각 전동모터를 해당 기어단수가 요구하는 회전수 및 토크 특성에 맞는 모터를 선택하면 될 것이다.
상기 4개의 전동모터(71~74)를 구비하는 모터 변속장치(70)에서는 각 전동모터가 기동하는 구간대가 달라 일정한 순간에는 한 개의 전동모터만 구동하고 나머지 전동모터는 발전기의 역할을 수행하므로 단일 모터를 사용하는 종래의 경우에 비하여 단위 모터에 걸리는 부하가 줄어들어 모터의 수명을 연장할 수 있다. 또한, 단일의 모터로 모든 구간에서의 출력을 담당하게 하려면 매우 고성능 및 고가의 모터가 필수적이나 본 발명에서는 각 전동모터가 최적의 성능을 발휘하는 구간을 각자 분담하여 구동하므로 고성능의 전동모터가 필수적이지 않으며 경제적이라는 잇점이 있다.
본 실시예의 피동기어 역시 도 8a에 도시한 것처럼 공통기어를 채택하는 것이 유리할 것이다. 예를 들어, 제1 피동기어(71b)와 제4 피동기어(74b)를 일체로 하여 공통기어를 형성하고, 제2 피동기어(72b)와 제3 피동기어(73b)를 일체로 하여 공통기어를 형성하는 것이다. 이러한 공통기어의 장점은 이미 전술한 바 있다.
도 8b의 실시예에서는 두 개의 구동기어가 하나의 피동기어를 공유하도록 공유기어를 채택하고 있다. 즉, 제1 구동기어(81a) 및 제4 구동기어(84a)가 공유기어(81b=84b)에 동시에 치합하며, 제2 구동기어(82a)와 제3 구동기어(83a)가 또 다른 공유기어(82b=83b)에 동시에 치합한다. 이러한 공유기어의 장점도 이미 전술한 바 있으므로 그에 관한 설명은 생략한다.
도 8c의 실시예에서는 모든 구동기어와 피동기어 간의 기어비를 동일하게 하였다. 전술한 바와 마찬가지로 본 발명의 모터 변속장치에서는 구동기어 및 피동기어 간의 기어비를 같거나 다르게 구성할 수 있다.
도 9는 본 발명의 모터 변속장치를 이용한 각 출력 구간대별 예시적 운행 모드표이다. 상기 운행 모드표는 본 발명의 모터 변속장치가 전륜 또는 후륜 중에서 선택되는 하나의 차륜축의 구동을 담당하고 나머지 하나의 차륜축의 구동은 엔진이 담당하는 경우를 예시적으로 보인 것이다. 본 발명의 모터 변속장치를 내연기관인 엔진과 조합하여 사용하는 경우 도시한 것처럼 2륜 또는 4륜구동모드를 선택하여 상황에 맞게 이코노 또는 파워 모드로 다양하게 구동할 수 있다는 장점이 있다.
도 10은 본 발명의 모터 변속장치를 채용한 제1 실시예에 따른 하이브리드카의 개략적인 동력 계통도이다. 도시한 바와 같이, 본 실시예의 하이브리드카(100)에서는 엔진(130)은 전륜 축(111)에 장착된 전륜(110)의 구동을 담당하고 두 개의 전동모터(141:MGR1,142:MGR2)가 후륜축(121)에 연결되는 후륜(120)의 구동을 담당한다. 제1 전동모터(141)와 제2 전동모터(142)는 후륜축(121) 상에 형성되는 차동기어(125)에 동력 연결된다. 즉, 후륜축(121) 상에는 다수의 기어가 서로 치합하여 한조를 이루는 차동기어(125)를 형성하는데, 구체적으로 상기 차동기어(125)는 후륜축(121)에 연결되는 차동 사이드 기어(125b,125c), 제1 및 제2 전동모터(141,142)의 구동력을 직접 전달받는 구동축(140)에 연결되는 구동축 피니언(125a) 및 차동 피니언(125d)으로 구성된다. 상기 구동축(140) 상에는 서로 직경과 잇수가 다른 제1,2 피동기어(141b,142b)가 형성되고 각각 제1,2 전동모터(141,142)의 모터축에 연결되는 제1,2 구동기어(141a,142a)에 치합하여 전동모터의 동력을 전달받는다. 이때, 상기 제1 구동기어(141a)와 제1 피동기어(141b) 간의 기어비와 상기 제2 구동기어(142a)와 제2 피동기어(142b) 간의 기어비는 상이한 것으로 하였다. 예를 들어, 전자의 기어비는 1:4이고, 후자의 기어비는 1:1로 설계할 수 있다. 따라서, 제1 전동모터(141,MGR1)는 출발, 저속, 중속 및 후진 시 후륜축(121)의 구동을 담당하고 제2 전동모터(142,MGR2)는 고속에서의 후륜축(121)의 구동을 담당하도록 할 수 있다. 그러나, 상기 각 구동기어와 피동기어 간의 기어비를 동일하게 구성할 수도 있음은 이미 전술한 바 있다.
이과 같은 구성을 가지는 본 발명의 하이브리드카에 의하면, 출발시에는 후륜축(121)의 구동을 담당하는 제1 전동모터(141)가 기동하게 되고, 가속시에는 엔진(130)과 제1 전동모터(141)가 동시 기동하며, 정속 주행시에는 엔진(130)만이 기동할 수 있게 된다. 또한, 고속 주행에서는 엔진(130)과 제2 전동모터(142)가 동시에 기동하거나 제2 전동모터(142)만이 기동하도록 할 수 있다. 후진의 경우 제1 전동모터(141)의 전류 방향만을 바꾸면 모터가 역회전하게 되므로 문제가 없다. 따라서, 엔진의 변속기에서 1단이나 후진 기어를 생략할 수 있게 되어 변속기의 기어 개수나 기어박스의 부피를 줄일 수 있게 되어 컴팩트한 사이즈의 차량 설계가 가능하며 아울러 변속기의 중량 감소로 인한 연비향상도 기대할 수 있다. 또한 그로 인한 제작비의 절감도 기대할 수 있게 될 것이다. 엔진(130)과 전동모터의 동시 기동시 두 구동수단 간의 회전수 동기화는 엔진과 전동모터를 연결하는 제어유닛(미도시)에 의하여 수행된다.
본 실시예에서 제1 전동모터(141,MGR1) 및 제2 전동모터(142,MGR2)는 배터리(150)에 의하여 전력을 제공받아 구동한다. 그런데, 본 실시예에서는 구동축(140)에 연결되는 모터가 두 개이고 각 모터가 기동하는 영역이 다르므로 한 개의 모터가 기동시에 다른 모터는 동력원으로서의 역할을 하는 것이 아니라 발전기로서 작용하게 된다. 예를 들어, 가속 구간에서 제1 전동모터(141)가 기동하는 동안 제2 전동모터(142)는 발전기(generator) 역할로 전환되는 것이다. 따라서, 제2 전동모터(142)에 의하여 회수된 전기에너지는 배터리(150)에 그대로 저장되어 에너지 회수 측면에서 매우 우수하다고 할 수 있다.
도 11은 본 발명의 모터 변속장치를 채용한 제2 실시예에 따른 하이브리드카의 개략적인 동력 계통도이다. 본 발명의 하이브리드카에서는 독립적으로 차륜축의 구동을 담당하는 전동모터가 최소한 두 개 이상 구비되는데, 본 실시예에서는 전동모터의 개수가 4개인 것으로 하였다. 전술한 제1 실시예에서와 달리 본 실시예에서는 4개의 전동모터에 의하여 구동되는 제1 내지 제4 피동기어 (241b,242b,243b,244b)가 후륜축(221) 상에 형성된다. 각 피동기어에는 순서대로 제1 내지 제4 구동기어(241a,242a,243a,244a)가 치합하는데 각 구동기어는 순서대 로 제1 내지 제4 전동모터(241:MGR1,242:MGR2,243:MGR3, 244:MGR4)의 모터축에 결합하여 동력을 전달한다. 후륜축(221) 상에는 차동기어(225)가 결합하는데, 상기 차륜축(221) 상에 형성되는 피동기어들이 차동기어(225)에 전동모터의 회전력을 전달한다.
이때 각 전동모터에 의하여 동력 전달하는 각 구동기어와 피동기어들 간의 기어비는 서로 다르게 할 수 있다. 예를 들면, 제1 구동기어(241a)와 제1 피동기어(241b)의 기어비는 1:4, 제2 구동기어(242a)와 제2 피동기어(242b)의 기어비는 1:2.5, 제3 구동기어(243a)와 제3 피동기어(243b)의 기어비는 1:1.5, 그리고 제4 구동기어(244a)와 제4 피동기어(244b)의 기어비는 1:0.7로 할 수 있다. 그러나, 각 기어단수의 기어비를 이와 같이 상이하게 하는 것이 필연적인 것은 아니며 각 기어단수의 기어비를 동일하게 구성하는 것도 가능하다.
본 실시예의 모터 변속장치를 구비한 자동차의 구동방식을 살펴보면 다음과 같다. 즉, 정지 상태에서 출발시에는 가장 큰 기어비를 가지는 제1 전동모터(241)가 구동하고 나머지 전동모터들(242,243,244)들은 발전기의 역할로 전환되어 후륜축(221)의 기계적 회전 운동에너지를 전기적 에너지로 회수하여 배터리(250)에 저장한다. 자동차의 속도가 상승하면 이제는 제2 전동모터(242)가 구동모터가 되며 나머지 제1,3,4 전동모터(241,243,244)는 발전기가 되어 전력을 축적한다. 속도가 더 상승함에 따라 이번에는 제3 및 제4 전동모터(243,244)가 순서대로 엔진의 회전수에 맞추어 기동하며 엔진의 출력을 보조하게 된다. 후진의 경우에는 제1 전동모터(241)에 역방향의 전류를 흘러보내면 되므로 문제가 없을 것이다. 종래의 일반적인 엔진 변속기에서는 변속기의 동작을 위하여 클러치와 싱크로 기구가 필수적이었으나, 본 발명의 모터 변속장치에는 이러한 클러치나 싱크로 기구가 불필요하다는 장점이 있다. 또한 종래 한 개의 전동모터만으로 전륜 또는 후륜의 일 축의 구동을 담당하던 방식에서 벗어나 다수개의 전동모터들로 변속기를 구성하고 각 전동모터들을 필요 출력이나 토크에 따라 교번하여 구동하므로 하나의 전동모터에 걸리는 부하나 열발생이 적이 수명이 오래간다는 장점이 있다. 또한, 한 개의 구동모터가 한 개의 차륜축의 구동을 담당하는 경우에는 고가, 고성능 모터의 개발 및 채택이 필수적이나 본 발명에서는 각 전동모터가 담당하는 회전수나 토크에 맞도록 필요한 전동모터들만을 채택하여 조합하면 되므로 실제로는 그 제작비가 종래에 비하여 저렴하다는 장점도 있는 것이다. 각 전동모터들 간의 출력 특성 및 엔진의 출력 특성이 다르므로 엔진(230)과 각 전동모터(241~244)들 간의 최적의 구동구간 분담은 전자제어장치(control unit)에 의하여 수행되어야 한다.
본 발명에서는 이와 같이 엔진(230)의 부담을 각 전동모터(241~244)들이 분담하여 나누게 되므로 엔진(230)에 연결되는 클러치, 토오크 컨버터, 엔진 기어박스의 사이즈가 줄어들 수 있다. 엔진 자체도 동력 발생의 부담이 줄어들게 되어 그 최적의 사이즈를 축소하는 것이 가능하고 적은 배기량의 엔진으로도 원하는 성능의 출력을 얻을 수 있게 된다. 엔진(230)과 연결되는 기어박스내의 기어비와 후륜축(221)의 구동을 담당하는 모터 변속장치의 기어비를 조합하변 종래의 일반적인 기어단수에서 탈피하여 2단, 3.5단, 4단, 5.5단 및 6.5단 등으로 기어비를 다양하게 조합하여 설계할 수 있다. 또한, 출발, 저속 및 후진 등을 전동모터가 담당하게 되므로 엔진(230)의 기어박스에서 1단과 후진기어를 생략할 수 있게 된다. 그러므로 엔진(230)의 기어박스의 부피를 획기적으로 줄여 엔진룸 공간활용의 최적화를 이룰 수 있으며, 연비개선을 이룰 수 있을 것이다.
도 12는 본 발명의 모터 변속장치를 채용한 제3 실시예에 따른 하이브리드카의 개략적인 동력 계통도이다. 본 실시예에서는 엔진(330)이 동력 전달축(351)에 의하여 후륜축 차동기어(350)에 연결되어 후륜(320)의 구동을 담당하고 두 개의 전동모터(341:MGF1,342:MGF2)가 전륜축(311)의 구동을 담당한다는 점에서 차이가 있다. 기타 나머지 구성요소들의 기능과 작동원리는 전술한 제1 실시예의 그것과 동일하므로 중복되는 구성에 대한 자세한 설명은 생략한다.
도 13은 본 발명의 모터 변속장치를 채용한 제4 실시예에 따른 하이브리드카의 개략적인 동력 계통도이다. 본 실시예에서는 엔진(430)이 동력 전달축(451)에 의하여 후륜축 차동기어(450)에 연결되어 후륜(421)의 구동을 담당하고 4 개의 전동모터(441:MRF1, 442:MGF2, 443:MGF3, 444:MGF4)들이 전륜축(411)의 구동을 담당한다. 즉, 엔진(430)과 전동모터들이 담당하는 차륜축이 도 11의 그것과 상이하다. 기타 나머지 구성요소들의 기능과 작동원리는 전술한 제2 실시예의 그것과 동일하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
도 14는 본 발명의 모터 변속장치를 채용한 제5 실시예에 따른 하이브리드카의 개략적인 동력 계통도이고, 도 15는 본 발명의 모터 변속장치를 채용한 제6 실시예에 따른 하이브리드카의 개략적인 동력 계통도이며, 도 16은 본 발명의 모터 변속장치를 채용한 제7 실시예에 따른 하이브리드카의 개략적인 동력 계통도이며, 도 17은 본 발명의 모터 변속장치를 채용한 제8 실시예에 따른 하이브리드카의 개략적인 동력 계통도이다. 제5 내지 제8 실시예는 전술한 제1 내지 제4 실시예의 각 구성에서 엔진 부분만이 변경된 것이다. 즉, 제1 내지 제4 실시예에서의 각 엔진(130,230,330,430)이 제5 내지 제8 실시예에서의 각 엔진(530,630,730,830)으로 대체된 것이다. 도 9의 구성을 살펴보면, 내연기관인 엔진(530)이 구동모터(531)와 함께 변속기(532:CVT)에 결합하여 전륜축(511)의 구동을 담당한다. 또한, 상기 엔진(530)에는 발전기(generator,533)가 연결되어 엔진의 기계적 에너지를 회수하여 배터리(550)에 저장한다. 출발시에는 통상적인 하이브리드카의 경우에서처럼 구동모터(531)가 배터리(550)에서 전력을 공급받아 기동한다. 가속시에는 구동모터(531)와 엔진(530)이 동시에 기동하며, 정속 주행시에는 엔진(530)만이 기동하고 구동모터(531)는 발전기의 역할로 전환되어 여분의 에너지를 배터리(550)에 저장하게 되는 것이다. 이때 후륜축(521)에 동력연결되는 제1 및 제2 전동모터(541:MGR1,542:MGR2) 역시 발전기의 역할을 수행하여 배터리(550)에 전력을 축적하게 되어 에너지 효율이 개선되는 장점이 있다. 즉, 평상시 주행 모드에서는 후륜축(521)의 구동을 담당하는 제1,2 전동모터(541,542)들은 발전기의 역할을 수행하나 4륜 구동모드가 선택되면 제1 또는 제2 전동모터(541,542) 중에서 선택되는 어느 하나는 후륜축(521)의 구동을 담당하고 나머지 하나는 발전기의 역할을 수행하는 것이다. 전술한 제1 실시예와 마찬가지로 상기 제1 전동모터(541) 및 제 2 전동모터(542)에 의하여 동력 전달하는 구동기어(541a,542a) 및 피동기어들(541b,542b) 간의 기어비는 각각 다르게 또는 같게 설계된다.
나머지 제6 내지 제8 실시예들의 경우에도 전술한 엔진의 구조를 제외하면 상기 제2 내지 제4 실시예와 그 동력 계통의 구성이 동일하다. 따라서, 별도의 모터 변속장치가 전륜 또는 후륜의 구동을 독립적으로 담당하는 구조의 장점을 그대로 가진다.
전술한 본 발명의 실시예들에서는 최소한 두 개 이상의 전동모터들과 각 구동기어 및 피동기어로 구성되는 모터 변속장치가 독립적으로 차륜축의 구동을 담당하므로 엔진 구동체계와 모터 구동체계가 상호 독립적이며, 상호 보완적이다. 따라서 가솔린 엔진 뿐 아니라 디젤 하이브리드카, LPG 하이브리드카의 구성이 용이하게 된다. 전동모터로 이루어지는 모터 변속장치는 차동기어에 직접 접촉하여 구동하므로 엔진 기어박스와는 달리 별도의 클러치나 싱크로 기구가 필요 없으며 작고 컴팩트한 변속기의 구성이 가능하다는 잇점이 있다. 또한, 2륜 구동 또는 4륜 구동모드의 선택이 자유롭고 구동하지 않는 다수의 모터들을 발전기로 그 역할을 전환하여 축회전에 의하여 소산되는 에너지의 일정 부분을 회수할 수 있게 된다는 장점이 있다.
본 발명에서 각 전동모터에 연결되는 구동기어와 피동기어 사이의 기어비는 각각 다르게 설계할 수 있다고 하였는데 이는 엔진의 출력 및 토크를 고려하여 결정되어야 할 것이다. 즉, 엔진과 전동모터가 분담해야할 출력 구간을 어떻게 설계하느냐에 따라 각 전동모터에 연결되는 기어들간의 기어비는 다르게 설계되어질 것이다. 다만 본 발명에서는 엔진의 기어박스의 기어비와 전동모터들로 구성된 모터 변속장치의 기어비의 조합에 의하여 종전의 일반적인 자동차에서는 채택할 수 없었 던 기어비의 설계 및 결정이 용이하게 수행될 수 있을 것이다. 아울러, 각자 구간대별 회전수 및 토크 성능이 다른 전동모터를 조합하는 경우 각 기어단수의 기어비를 동일하게 하여 설계하는 것도 물론 가능하다.
본 발명의 다수의 전동모터들로 구성된 모터 변속장치의 구성은 전술한 하이브리드 자동차 뿐 아니라 연료전지 또는 전기자동차에도 그대로 적용될 수 있다.
하이브리드 자동차에서 전기자동차와 같은 충전용 플러그 인 어댑터(plug in adaptor)가 필수적이지는 않으나 전술한 실시예들의 자동차에 플러그 인 어댑터(미도시)가 추가로 장착될 수 있다. 본 발명의 각 실시예들에서는 충분한 개수의 전동모터들이 발전을 수행하므로 배터리의 충전 성능이 우수하여 플러그 인 어댑터의 장착이 반드시 필수적이지는 않으나, 배터리 용량을 늘리는데는 무게, 부피, 가격 등의 제한이 있으며, 심야전기를 사용하면 충전비용을 절약할 수 있게 된다. 또한, 주행조건이나 상황이 매번 달라지므로 구동모터와 엔진의 가동비율이 달라져 연료소비 및 발전량 등도 때에 따라 달라지게 된다. 따라서, 엔진의 연료가 부족한 경우에는 엔진을 가동하여 배터리를 충전하기 보다는 심야에 값싼 전기를 사용하여 배터리를 저장하는 것이 에너지효율면에서 유리하다고 할 수 있을 것이다. 이러한 경우에는 전술한 실시예의 자동차에 전기를 충전하기 위한 플러그 인 어댑터를 설치하는 것이 바람직하다 할 것이다.
이상의 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 설명하기 위한 하나의 예에 지나지 않으며 본 발명의 기술적 범위가 이에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니될 것이다.
도 1은 종래의 일반적인 후륜구동 자동차의 차동기어의 개략적인 기어 배치도.
도 2는 종래의 일반적인 전륜구동 자동차의 차동기어의 개략적인 기어 배치도.
도 3은 병렬식 하이브리드카의 동력 계통의 일 예를 보인 구성도.
도 4는 직렬식 하이브리드카의 동력 계통의 일 예를 보인 구성도.
도 5는 직병렬 혼합 형식의 하이브리드카의 동력 계통의 일 예를 보인 구성도.
도 6은 종래의 4륜 구동방식의 하이브리드카의 동력 계통의 일 예를 보인 구성도.
도 7a 내지 7c는 본 발명의 실시예들에 따른 모터 변속장치의 구성도.
도 8a 내지 8c는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 모터 변속장치의 구성도.
도 9는 본 발명의 모터 변속장치를 이용한 각 출력 구간대별 예시적 운행 모드표.
도 10은 본 발명의 모터 변속장치를 채용한 제1 실시예에 따른 하이브리드카의 개략적인 동력 계통도.
도 11은 본 발명의 모터 변속장치를 채용한 제2 실시예에 따른 하이브리드카의 개략적인 동력 계통도.
도 12는 본 발명의 모터 변속장치를 채용한 제3 실시예에 따른 하이브리드카 의 개략적인 동력 계통도.
도 13은 본 발명의 모터 변속장치를 채용한 제4 실시예에 따른 하이브리드카의 개략적인 동력 계통도.
도 14는 본 발명의 모터 변속장치를 채용한 제5 실시예에 따른 하이브리드카의 개략적인 동력 계통도.
도 15는 본 발명의 모터 변속장치를 채용한 제6 실시예에 따른 하이브리드카의 개략적인 동력 계통도.
도 16은 본 발명의 모터 변속장치를 채용한 제7 실시예에 따른 하이브리드카의 개략적인 동력 계통도.
도 17은 본 발명의 모터 변속장치를 채용한 제8 실시예에 따른 하이브리드카의 개략적인 동력 계통도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
40: 모터 변속장치 41,42: 전동모터
41a,42a: 구동기어 41b,42b: 피동기어
45: 차동기어 46: 차륜축
47: 배터리 48: 구동축
211: 전륜축 221: 후륜축
230: 엔진 241,242,243,244: 전동모터
241a,242a,243a,244a: 구동기어 241b,242b,243b,244b: 피동기어
225: 차동기어 250: 배터리

Claims (7)

  1. 내연기관 엔진이 자동차의 전륜 또는 후륜 중에서 선택되는 어느 하나의 차륜축의 구동을 담당하는 자동차에 장착되어 상기 내연기관 엔진이 구동하지 않는 나머지 하나의 차륜축의 구동을 담당하는 것으로서, 배터리에 연결되는 적어도 2개 이상의 전동모터 및 각 전동모터의 모터축 상에 직결하여 동력연결되는 구동기어들 및 이와 치합하는 피동기어들로 구성하되, 상기 전동모터는 전륜 또는 후륜의 차륜축 상에 있지 않고, 상기 구동기어들의 개수는 상기 전동모터들의 개수와 동일하며, 상기 피동기어들의 개수는 상기 전동모터들의 개수보다 작거나 같으며, 상기 각 전동모터에 대응하는 구동기어와 이에 치합하는 피동기어 간의 기어비는 각 전동모터별로 상이하며, 선택된 어느 하나의 전동모터가 동력원으로서 구동할 때 나머지 전동모터들은 모두 발전기의 역할을 하거나 공회전하고 동시에 두 개 이상의 전동모터가 동력원으로서 구동하지는 않는 것을 특징으로 하는 자동차용 모터 변속장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 피동기어들은 차륜축의 회전을 위한 차동기어에 동력 연결되는 구동축 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 모터 변속장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 피동기어들은 차동기어에 동력 연결되는 차륜축 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 모터 변속장치.
  4. 제 1항 내지 제3항 중에서 선택되는 어느 하나의 모터 변속장치와 차륜축에 연결되는 차동기어를 포함하여 이루어지는 자동차의 동력전달 장치.
  5. 제 1항 내지 제3항 중에서 선택되는 어느 하나의 모터 변속장치가 전륜 또는 후륜 중에서 선택되는 어느 하나의 구동을 담당하고, 나머지 하나의 구동은 엔진이 담당하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 엔진은 배터리에 연결되는 구동모터 및 무단 변속기(CVT)와 결합하여 전륜 또는 후륜의 구동을 담당하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차.
  7. 제 6항에 있어서,
    외부에서 전기를 충전하기 위한 플러그 인 어댑터가 상기 배터리에 연결하여 형성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차.
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