KR101396247B1 - 전기 트랜스미션 및 전기 구동 모듈을 갖는 하이브리드 차량 - Google Patents

전기 트랜스미션 및 전기 구동 모듈을 갖는 하이브리드 차량 Download PDF

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KR101396247B1
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electric
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앨런 지. 홈스
브렌단 엠. 콘론
노르만 케이. 버크너
콘스탄틴 닉 랍티스
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지엠 글로벌 테크놀러지 오퍼레이션스 엘엘씨
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Abstract

제1 차축에 동작 가능하게 연결된 전기 트랜스미션과 제2 차축에 동작 가능하게 연결된 전기 구동 모듈을 갖는 하이브리드 차량이 제공된다. 전기 트랜스미션의 차동 기어 세트와 최종 구동부의 전달비는, 엔진의 토크에 대한 제1 차축의 토크의 토크비가, 엔진의 토크가 차량을 일정한 차량 속도로 추진하는데 필요한 토크를 초과하지 않고 제2 전기 기계가 프리휠링하는 경우에, 작동 유체를 팽창하도록 동작되는 엔진의 임의의 작동 챔버가 스로틀링 없이 동작할 수 있는 토크비가 되도록 선택된다.

Description

전기 트랜스미션 및 전기 구동 모듈을 갖는 하이브리드 차량{HYBRID VEHICLE WITH ELECTRIC TRANSMISSION AND ELECTRIC DRIVE MODULE}
본 개시 내용은 일반적으로 효율적인 엔진 성능을 위하여 구성된 하이브리드 차량을 포함한다.
차량은 하나 이상의 전륜과 하나 이상의 후륜을 구비할 수 있다. 차량은 엔진을 구비하여 차량을 추진하기 위한 샤프트 동력을 생성할 수 있다. 차량은 샤프트 동력을 상대적으로 낮은 토크와 높은 속도의 엔진의 출력에서 상대적으로 높은 토크와 낮은 속도로 변환하여 하나 이상의 바퀴를 구동하는 트랜스미션을 구비할 수 있다. 차량은 트랜스미션으로부터 하나 이상의 바퀴로 샤프트 동력을 이송하기 위한 차축(axle)을 구비할 수 있다. 특히 기계적 단순에 관하여, 엔진, 트랜스미션 및 차축을 이용하여 전륜만 또는 후륜만 구동하는 것이 유익할 수 있다. 특히 다양한 환경 조건에서의 동작에 관하여, 모든 바퀴를 구동하는 것이 유익할 수 있다.
실질적으로 바람이 없는 수평면에 걸쳐 일정한 속도로 주행하는 바퀴 달린 차량을 추진하기 위한 힘은 일반적으로 F0, F1 및 F2이라 하는 차량 속도에 관한 3가지 항을 이용하여 수학적으로 표현될 수 있다. 힘은 대략 F0 항, 차량의 속도가 곱해진 F1 항 및 차량의 속도의 제곱이 곱해진 F2 항의 합이다. F0 항은 건조 마찰에 관련되고, F1 항은 점성 마찰에 관련되고, F2 항은 공기 저항(aerodynamic drag)에 관련된다. 이러한 항들은 이론적으로 모두 0보다 더 크며, 실험적으로는, 측정에 기초하여, 0보다 더 큰 것으로 일반적으로 계산된다. 따라서, 바람이 없는 수평면에서 일정한 속도로 차량을 추진하기 위한 힘은 그 속도의 포물선 함수에 의해 근사화된다. 따라서, 그 바퀴 중 하나 이상의 정지 마찰력(traction)에 의해 차량을 구동하는데 필요한 회전 토크는 차량 바퀴의 회전 속도의 포물선 함수에 의해 근사화된다.
샤프트 동력을 생성하는 엔진은, 속도 및 토크의 예측가능한 함수인 속도로 연료를 태우는 동안, 회전 출력 속도 범위 및 출력 토크 범위에 걸쳐 출력할 수 있다. 예를 들어, 종래의 내연 왕복 피스톤 또는 로터리 피스톤 엔진은, 아이들 속도 이상의 소정의 양의 샤프트 토크 출력을 허용 가능한 매끄러움으로 작동하여 생성할 수 있고, 최대 엔진 속도까지의 소정의 양의 샤프트 토크 출력을 손상 없이 작동하여 생성할 수 있다. 예시적인 엔진으로부터 출력된 샤프트 토크량은 스로틀(throttle)이 완전히 열린 최댓값으로부터 특정 속도에서 스로틀이 닫힌 0까지 가변할 수 있다. 일반적으로 "토크 곡선(torque curve)"이라 하는 최대 샤프트 토크는, 아이들 속도로부터 최대 엔진 속도까지의 전체 속도 범위의 일부인 속도 범위에 걸쳐 크기에서 유사할, 즉, 상대적으로 "평탄할" 수 있다.
연료의 포텐셜을 샤프트 일(work)로 변환하는데 있어서의 엔진의 효율인 주어진 연료 소비량에 대하여 생성된 샤프트 일의 양은, 동작 토크 및 속도에 따라 가변한다. 스파크-점화를 이용하고 Otto 또는 Atkinson의 4 행정 사이클을 따르는 엔진에 대한 효율은, 모든 동작 조건에서 연료와 공기의 비가 실질적으로 동일하다면, 에를 들어 평형을 이룬다면, 최대 토크인 스로틀이 활짝 열린(wide open) 상태에서 가장 크고, 0 출력 토크에서 0 효율로 감소한다. 추가 연료로의 혼합물의 농축은 일반적으로 평형을 이루거나 옅은 혼합물로 획득될 수 있는 최대 이상의 출력 토크로 동작하는 것을 허용하지마, 엔진의 효율은 이러한 추가 연료의 사용에 의해 저하된다. 연료 효율 및 깨끗한 배기 가스가 다른 무엇보다도 중요한 차량에 대하여, 엔진은, 엔진이 자신의 최대 파워를 생성하게 하는 높은 토크 및 높은 속도의 조합과 이러한 조합에 접근하는 속도와 토크를 제외한 모든 토크 레벨 및 모든 속도에 대하여, 일반적으로 실질적으로 평형을 이루거나 약간 옅은 혼합물로 동작하도록 제어될 것이다.
스파크-점화 엔진은, 토크가 자신의 최댓값 이하로 감소될 때, 더 작은 크기로 엔진 효율을 유사하게 감소시키는, 스로틀을 대신하는 토크를 제어하거나 변경하는 대체 수단으로 동작될 수 있다. 예를 들어, 엔진은 흡기 밸브를 구비한 실린더를 가질 수 있고, 이러한 밸브의 개폐 지속시간 또는 타이밍이나 "리프트(lift)"라 일반적으로 불리는 이러한 밸브의 개방 거리는 각 실린더에 유입되는 공기 또는 공기와 연료의 혼합물의 양을 제어하거나 제한하도록 가변될 수 있다. 흡기 밸브가 개방 유지되어 일부 공기 또는 공기-연료 혼합물이 흡기 행정 후에 각 실린더로부터 빠져 나올 수 있게 하도록 흡기 밸브의 타이밍을 변경하는 것, 즉 늦은 흡기 밸브 폐쇄는, 공기 또는 공기-연료를 흡기 행정 동안 제한을 통해 끌어당기는데 피스톤이 필요하지 않기 때문에, 결과적으로 더 적은 효율 손실을 제공한다. 그러나, 일반적으로, 특정 레벨 이하로 실린더로 유입된 공기의 양을 감소시키는 것은 가스의 순(net) 팽창을 감소시킬 것이고, 따라서 엔진의 효율을 상당히 감소시킬 것이다.
압축-점화 엔진은 일반적으로 실린더 또는 다른 작동 챔버로 유입된 연료의 양을 단순히 가변시켜 제어된다. 압축비는 충분히 크고, 연료 특성은 대부분의 압축 행정 후에 실린더로 유입될 때 개별 연료 방울 주위로 연료의 연소가 발생하도록 한다. 챔버에 걸쳐 불꽃을 연소의 스파크 소스로부터 전파하기 위하여 챔버 전체에 걸쳐 연료 및 공기의 알맞은 혼합물을 유지하는 것이 필요하지 않다. 따라서, 공기는 스로틀 또는 다른 수단에 의해 엔진에 공기가 들어오는 것이 제한될 필요는 없고, 팽창비는 유지되며, 효율은 임의의 주어진 속도에서 넓은 범위의 토크 밸브에 걸쳐 상대적으로 평탄하다. 압축-점화 엔진의 토크 출력을 변경하거나 제어하기 위하여, 실린더로 유입된 연료의 양은 0과 배기 가스 내에서 눈에 보이거나 아니면 과도한 연기 또는 다른 연소되지 않은 연료 없이 연소될 수 있는 연료의 미리 결정된 최대량 사이에서 가변될 수 있다.
일반적으로 트랜스미션은 바퀴 달린 차량 내에서 엔진으로부터 바퀴로의 동작 연결부의 일부로서 제공된다. 종래의 차량은 종종 엔진으로부터 바퀴로의 복수의 속도비 및 토크비로부터의 선택을 위하여 하나 이상의 장치를 포함하는 가끔 "트랜스 액슬(transaxle)"이라 하는 트랜스미션과, 고정 속도비 및 토크비를 갖는 구동 기어 장치와, 2개의 차축 절반부에 의해 바퀴에 연결된 차동 차축을 가진다. 이러한 트랜스미션은 엔진의 출력 샤프트로부터 출력된 속도와 토크를 차축과 바퀴를 회전시키기에 더욱 적합한 더 작은 속도와 더 큰 토크로 변환하여 이에 의해 차량을 구동하도록 차량 내에 구비된다. 일반적으로, 트랜스미션은, 트랜스미션 부품의 드래그(drag) 또는 관성을 고려하지 않는, 각각이 차축의 속도에 대한 엔진의 속도의 비이고 엔진의 토크에 대한 차축의 토크의 비인 4개와 8개의 상이한 선택 가능한 비 사이의 비를 제공한다. 차량이 넓은 범위의 속도에 걸쳐 가속할 수 있게 하고 그리고 관례적으로 최대 순항 속도의 3분의 1 이하인 일부 최소 순항 속도 이상의 범위 내에서 임의의 속도로 순항하게 하도록, 속도 및 토크 모두의 상이한 선택 가능한 비가 구비된다.
하이브리드 차량은 제1 차축과 제2 차축을 가지며, 작동 유체를 팽창시키도록 실린더 또는 회전자와 같은 하나 이상의 작동 챔버를 갖는 엔진을 구비한다. 차량은 제1 차축에 동작 가능하게 연결된 전기 트랜스미션과 제2 차축에 동작 가능하게 연결된 전기 구동 모듈을 갖는다. 전기 컨트롤러는, 전기 기계 중 하나가 원하는 전방 추진에 반대되는 차축 토크를 생성하여야 하는 "도로를 통한(through the road)" 파워 루프를 필요로 하지 않고 엔진 동작 효율을 유지하는 동안, 차량의 토크 및 속도 요건이 연속적으로 만족되도록 전기 구동 모듈 및 전기 트랜스미션 내의 전기 기계를 제어한다.
구체적으로는, 하이브리드 차량은 단순 유성 기어 세트과 같은 그러나 이에 한정되지 않는 제1 부재, 제2 부재 및 제3 부재를 갖는 차동 기어 세트를 갖는 전기 트랜스미션을 구비한다. 또한, 전기 트랜스미션은 제1 최종 구동부와 제1 전기 기계를 갖는다. 엔진은 제1 부재와 공통 회전을 위하여 연결되고, 제1 전기 기계는 제2 부재와 공통 회전을 위하여 연결되고, 제3 부재는, 제1 클러치의 선택적인 결합에 의해서와 같이 그러나 이에 한정되지 않으면서, 최종 구동부를 통해 제1 차축과 동작 가능하게 연결 가능하다.
전기 구동 모듈은 제2 최종 구동부를 통해 제2 차축에 동작 가능하게 연결 가능한 제2 전기 기계를 포함한다. 차동 기어 세트와 제1 최종 구동부는 제1 전기 기계가 충분한 반응 토크를 생성하고 제1 클러치가 결합될 때 엔진의 토크에 대한 제1 차축의 토크의 트랜스미션 고정 토크비를 확립한다. 트랜스미션 고정 토크비는 고정되며, 제1 클러치가 결합되고 제1 전기 기계가 충분한 반응 토크를 생성하고 있을 때(즉, 프리휠링(freewheeling)하지만 반드시 정지된 것은 아닐 때), 상대적으로 작은 드래그 손실로만 변경한다. 트랜스미션 고정 토크비는, 작동 챔버 또는 복수의 작동 챔버가 있는 경우에는 작동 유체를 팽창시키도록 동작되는 작동 챔버가, 제한 없이, 엔진의 토크가 차량을 일정한 차량 속도로 추진하는데 필요한 토크를 초과하지 않으면서, 그리고 제2 전기 기계가 프리휠링하도록 동작하는 토크비이다.
차동 기어 세트와 제1 최종 구동부에서의 드래그 손실은 트랜스미션 기어 장치에서 일반적이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 고정되거나 가변인 것으로의 토크비의 카테고리화에 관련된 것으로 고려되지 않는다. 유사하게, 토크비는 다양한 부품의 회전 관성으로부터 어떠한 효과를 포함하지 않으며, 속도 변화에 의존하지 않는다. 고정 토크비는 제1 전기 기계의 속도 또는 토크에 의해 가변될 수 없으며, 제1 전기 기계의 속도 또는 토크에 의존하지 않는다.
또한, 차동 기어 세트와 제1 최종 구동부는 제1 클러치가 결합될 때 엔진, 제1 전기 기계 및 제1 차축 사이에서 특정 속도 관계를 확립한다. 이 속도 관계는 차동 기어 세트의 작동에 기초하는 선형 조합이며, 하나의 부재의 속도는 다른 2개의 부재의 속도의 조합에 의해 결정된다. 따라서, 제1 차축의 속도에 대한 엔진의 속도의 트랜스미션 속도비는 제1 전기 기계의 속도에 따라 가변하며, 제1 전기 기계가 0 속도인 상태에서 특정의 특징적인 속도비에 도달한다.
컨트롤러는, 엔진의 토크에 대한 제1 차축의 토크의 단일 고정 기어비가 차동 기어 세트와 제1 최종 구동부를 통해 유지되는 동안, 제1 차축의 속도에 대한 엔진의 속도의 가변 트랜스미션 속도비를 제공하기 위하여 제1 전기 기계를 발전기로서 동작시키도록 구성된다. 전기는 제2 전기 기계에 의해 사용되거나, 추진 배터리 또는 에너지 저장 장치에 저장되거나, 또는 차량 내의 전기 액세서리에 공급되도록 제1 전기 기계에 의해 생산될 수 있다. 또한, 컨트롤러는 2 차축 구동 입력 분리 동작 모드(two axle-drive, input-split operating mode)에서 제1 전기 기계에 의해 제동된 전력을 사용하는 전동기로서 제2 전기 기계를 동작시키도록 구성될 수 있다. 따라서, 엔진의 토크에 대한 제1 차축의 토크의 비가 고정되더라도, 엔진 토크에 대한 제1 차축 상의 토크와 제2 차축 상의 토크의 합의 비는 전체로서 하이브리드 파워 트레인을 위한 가변 토크비이며, 이는 에너지 저장 장치로의 또는 그로부터의 전력 없이 대략 트랜스미션 속도비에 따라 가변할 것이다.
본 개시 내용에 대한 전술한 특징 및 이점과 다른 특징 및 이점은 첨부된 도면과 관련되어 고려되는 본 개시 내용을 실시하기 위한 최상의 형태에 대한 이어지는 구체적인 설명으로부터 자명할 것이다.
도 1은, 엔진과, 엔진 및 전방 차축 사이에서 하이브리드 전기 트랜스미션을 갖는 전기 트랜스미션과, 전륜을 구동하기 위하여 제1 차축에 동작 가능하게 연결된 제1 전동기-발전기와, 후륜을 구동하기 위하여 제2 차축에 동작 가능하게 연결된 제2 전동기-발전기를 갖는 후방 구동 유닛을 포함하는 차량에 설치된 하이브리드 전기 파워 트레인의 부분 단면도를 도시한다.
도 2는 도 1의 하이브리드 전기 파워 트레인 내의 대안의 하이브리드 전기 트랜스미션의 개략적인 부분 단면도이다.
도 3은 제1 차축과 제2 차축에 연결된 도 1의 하이브리드 전기 파워 트레인에 대한 레버(lever) 다이어그램 형태의 개략도이다.
도 4는 도 2의 하이브리드 전기 트랜스미션을 구비한 도 1에 도시된 전기 트랜스미션 유닛에 대한 레버 다이어그램 형태의 개략도이다.
도 5는 트랜스미션을 통한 엔진 토크에 대한 전방 차축 토크의 다양한 예시적인 토크비에서의 연소 스파크-점화 엔진에 대한 엔진 출력 토크 대 엔진 출력 속도의 도면이며, 다양한 엔진 동작 속도에 대한 상이한 엔진 효율의 윤곽선을 도시한다.
도 6은 트랜스미션을 통한 엔진 토크에 대한 전방 차축 토크의 예시적인 토크비에서 선택적인 실린더 비활성화를 갖는 도 5의 스파크-점화 엔진에 대한 엔진출력 토크 대 엔진 출력 속도의 도면이며, 다양한 엔진 동작 속도에 대한 상이한 엔진 효율의 윤곽선을 도시한다.
도 7은 트랜스미션을 통한 엔진 토크에 대한 전방 차축 토크의 예시적인 토크비에서의 압축-점화 엔진에 대한 엔진 출력 토크 대 엔진 출력 속도의 도면이며, 다양한 엔진 동작 속도에 대한 상이한 엔진 효율의 윤곽선을 도시한다.
도 8은 수직 방향에서 입력 속도(엔진 속도)를 그리고 수평 방향에서 출력 속도(제1 차축 속도)를 도시하는 트랜스미션의 동작도이다.
유사한 도면 부호가 여러 도면을 통해 유사한 구성요소를 나타내는 도면을 참조하면, 도 1은 제1 바퀴 쌍(14)에 연결된 제1 차축(12)과 제2 바퀴 쌍(18)에 연결된 제2 차축(16)을 갖는 하이브리드 전기 차량(10)을 개략적으로 도시한다. 일 실시예에서, 바퀴(14)는 전륜이고, 바퀴(18)는 후륜이다. 도 1에서, 바퀴(14, 18)는 타이어(19)가 부착된 것을 도시한다. 각 차축(12, 16)은, 본 발명에 속하는 기술 분야에서 통상의 지식의 자진 자에 의해 용이하게 이해되는 바와 같이, 각각의 차동부(15, 17)에 연결된 2개의 분리된 차축 부분을 가진다. 각 바퀴(14, 16)는 디스크 브레이크로서 도시된 마찰 브레이크 기구(20)를 가진다. 제1 차축(12)은 하이브리드 전기 트랜스미션(22)에 연결 가능하고, 제2 차축(16)은 전기 구동 모듈(24)에 연결 가능하다. 하이브리드 전기 트랜스미션(22), 엔진(26), 에너지 저장 장치(70), 컨트롤러(64) 및 전기 구동 모듈(24)은 제2 차축(16) 상에 드래그 토크(drag torgue)를 생성하지 않으면서 차량(10)의 전방 추진을 위한 다양한 동작 모드를 제공하는 하이브리드 파워 트레인(27)을 함께 확립한다.
하이브리드 전기 트랜스미션(22)은 엔진(26)에 연결되며, 이는 출력 샤프트(28)와 엔진 진동 완충 장치(30)를 갖는다. 트랜스미션(22)은 입력 샤프트(32), 유성 기어 세트(40)인 차동 기어 세트, 기어 세트인 제1 최종 구동부(50) 및 차축 차동부(15)를 포함한다. 유성 기어 세트(40)는 중앙의 태양 기어 부재(42), 복수의 유성 기어(47)를 회전 가능하게 지지하는 캐리어 부재(46) 및 링 기어 부재(44)를 포함한다. 유성 기어(47)는 링 기어 부재(44)와 태양 기어 부재(42) 양자와 맞물린다. 제1 최종 구동부(50)는 제1 기어(52) 및 제1 기어(52)와 맞물리는 제2 기어(54)를 포함하고, 본 발명에 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 이해되는 바와 같이, 차동부(15)의 부품과 공통 회전한다. 대신에, 최종 구동부(50)는 맞물림 기어 대신에 기계적 요소들의 조합 또는 회전하는 스프로켓과 체인 결합될 수 있다.
또한, 트랜스미션(22)은 본 명세서에서 전동기-발전기(60)라 하지만, 일부 실시예에서 발전기로서만 동작 가능하도록 구성될 수 있는, 즉 전동기로서 동작되도록 구성되지 않는 제1 전기 기계(60)를 포함한다. 다른 실시예에서, 제1 전기 기계(60)는 상이한 동작 모드에서 전동기 또는 발전기로서 동작 가능하다. 전동기-발전기(60)는 이를 전기 컨트롤러(64)에 전기적으로 연결하는 케이블(62)을 가진다. 제1 전기 전동기-발전기(60)는 회전 가능한 회전자와 고정된 고정자를 가지며, 이들은, 알려진 바와 같이, 고정자와 회전자 사이에 공기 간극을 가지면서 배열된다. 그러나, 도면에서의 간략함을 위하여, 제1 전기 전동기-발전기(60)는 간단한 상자로서 표현된다. 또한, 컨트롤러(64)는 제1 전동기-발전기(60)에 의해 제공된 교류 전류를 케이블(62)을 통해 컨트롤러(64)로 연결된 추진 배터리와 같은 에너지 저장 장치(70)에 저장될 수 있는 직류 전류로 변환하도록 통합된 정류기를 포함한다. 전동기-발전기(60)가 전동기로서 동작 가능한 일부 실시예에서, 컨트롤러(64)는 에너지 저장 장치(70)로부터의 직류 전류를 제1 전동기-발전기(60)를 동작시키기 위한 교류 전류로 변환하기 위한 통합된 전력 인버터를 포함한다. 이 대신에, 정류기 또는 전력 인버터는 컨트롤러(64)로부터 분리된 부품일 수 있다.
또한, 트랜스미션(22)은 링 기어 부재(44)를 고정 상태로 유지하기 위하여 트랜스미션 케이싱과 같은 고정 부재(65)에 링 기어 부재(44)를 연결하도록 컨트롤러(64)에 의해 선택적으로 결합 가능한 제1 브레이크(66)를 포함한다. 트랜스미션(22)은 링 기어 부재(44)를 공통 회전을 위하여 제1 최종 구동부(50)의 제1 기어(52)와 결합하기 위하여 컨트롤러(64)에 의해 선택적으로 결합 가능한 회전 클러치(68)를 더 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "공통 회전(common rotation)"은 동일한 속도로의 회전을 의미한다. 클러치(68)는 입력 샤프트(32)와 동심을 가지지만, 공통 회전을 위하여 입력 샤프트(32)와 연결되지 않는다. 즉, 클러치(68)는 입력 샤프트(32)를 슬리브로서 둘러싼다.
전기 구동 모듈(24)은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 이해되는 바와 같이, 제1 기어(74)와, 제1 기어(74)와 맞물리는 제2 기어(76)를 갖는 기어 세트인 제2 최종 구동부(72) 및 일부가 제2 기어(76)와 공통 회전하는 차축 차동부(17)를 포함한다. 최종 구동부(72)는, 한 쌍의 맞물리는 기어 대신에, 기계적 요소들의 조합 또는 회전하는 스프로켓이나 유성 기어 세트와 체인 결합될 수 있다. 또한, 전기 구동 모듈(24)은, 하이브리드 전기 차량(10)을 추진하는 전동기로서 또는 그의 추진을 돕거나 제동을 제공하거나 돕는 발전기로서 동작 가능할 수 있는, 본 명세서에서는 제2 전동기-발전기(80)라 하는 제2 전기 기계(80)를 포함한다. 제2 전동기-발전기(80)는 이를 컨트롤러(64)에 전기적으로 연결하는 케이블(62)을 가진다. 제2 전동기-발전기(80)는 회전 가능한 회전자와 고정된 고정자를 포함하고, 이는, 알려진 바와 같이, 고정자와 회전자 사이에 공기 간극을 가지면서 배치된다. 그러나, 도면에서의 간략함을 위하여, 제2 전기 전동기-발전기(80)는 간단한 상자로서 표현된다. 또한, 컨트롤러(64)는 에너지 저장 장치(70)로부터의 직류 전류를 제2 전동기-발전기(80)를 동작시키기 위한 교류 전류로 변환하고, 제2 전동기-발전기(60)로부터의 교류 전류를 에너지 저장 장치(70)에 저장될 수 있는 직류 전류로 변환하기 위한 통합된 전력 인버터를 포함한다. 제2 차축(16)은, 제1 차축(12)과 마찬가지로, 실제로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 이해되는 바와 같이, 해당하는 차축 차동부(15, 17) 내의 기어(미도시)에 연결된, 일반적으로 하프 샤프트(half-shaft)라 하는, 2개의 샤프트로 이루어진다. 직선으로 주행할 때, 바퀴 슬립 없이, 차축 차동부(15)와 차축(12)의 2개의 절반부 모두는, 차축 차동부(17)와 차축(16)의 2개의 절반부가 회전하는 바와 같이, 마치 하나의 견고한 유닛처럼 회전한다. 이러한 회전하는 부분의 공통 속도는 차축 속도라 한다.
하나의 컨트롤러(64)가 양 전동기-발전기(60, 80), 엔진(26), 제1 브레이크(66) 및 제1 클러치(68)에 동작 가능하게 연결되는 것으로 도시되고 설명되었지만, 모두 서로 통신하도록 구성된 복수의 상이한 컨트롤러가 하나 이상의 이러한 부품에 대하여 전용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 일부 실시예에서, 알려진 바와 같이, 컨트롤러(64)는 각 전동기-발전기(60, 80)에 각 전동기-발전기의 동작 속도에 대응하는 주파수의 교류 전류를 공급하는 통합된 전력 인버터를 포함할 수 있다. 컨트롤러(64)는 제1 전동기-발전기(60)로부터 전력을 공급받고 제2 전동기-발전기(80)로 전력을 이송하는데 사용될 수 있다.
트랜스미션(22)에서의 유성 기어 세트(40)는 차동 기어 세트로서 사용된다. 즉, 캐리어 부재(46)의 속도가 태양 기어 부재(42)와 링 기어 부재(44)의 톱니 개수에 의해 가중치가 곱해진 태양 기어 부재(42)와 링 기어 부재(44)의 속도의 가중 평균이 되도록, 태양 기어 부재(42), 캐리어 부재(46) 및 링 기어 부재(44)인 3개의 동축 회전 요소의 각각은 동시에 회전할 수 있다. 도 1에서, 태양 기어 부재(42)는 제1 전동기-발전기(60)와 공통 회전을 위하여 연결되고, 유성 캐리어 부재(46)는 입력 샤프트(32) 및 이에 따른 엔진 출력 샤프트(28)와 공통 회전을 위하여 연결되고, 링 기어 부재(44)는 회전하는 제1 클러치(68)의 일측에 연결되어, 제1 클러치(68)가 결합될 때 최종 구동부(50)에 선택적으로 연결된다.
도 1에 도시된 실시예에서, 엔진(26)은 엔진의 작동 챔버로서 실린더(90)를 갖는 내연형(internal combustion type)이다. 이러한 특정 실시예에서, 엔진(26)은 크랭크 샤프트(28)를 따라 배열된 4개의 실린더(90)를 가진다. 알려진 바와 같이, 흡기 행정, 압축 행정, 팽창 행정 및 배기 행정의 4 행정 사이클에서 예시적인 엔진 동작의 일부로서, 밸브가 공기 또는 공기-연료 혼합물을 각 실린더(90)로 유입시키고 실린더(90)로부터 연소 부산물을 배기하는데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 엔진(26)은, 공기 또는 연료 부산물이 엔진(26)의 다른 실린더(90) 내에 갖힌 상태를 유지하는 동안 밸브를 선택적으로 개방하여 하나 이상의 실린더(90)에 공기 또는 공기-연료 혼합물을 유입시키는 것에 의하는 것과 같이, 하나 이상의 실린더(90)를 선택적으로 동작시키도록 장비될 수 있다. 이는 실린더 비활성화(cylinder deactivation)라 할 수 있다. 엔진(26)은 스파크-점화 엔진 또는 압축-점화(즉, 디젤) 엔진일 수 있다.
도 2는 하이브리드 전기 트랜스미션(22)의 다른 배치를 도시한다. 구체적으로는, 하이브리드 전기 트랜스미션(122)에서, 유성 기어 세트(40)의 태양 기어 부재(42)는 도 1에서와 같이 전동기 샤프트(61)를 통해 전동기-발전기(60)에 연결되지만, 링 기어 부재(44)는 입력 샤프트(32) 및 이에 따라 엔진 출력 샤프트(28)를 통해 엔진(26)으로 연결된다. 유성 캐리어 부재(46)는 회전 클러치(68)의 일측에 연결되고, 이에 의해 제1 클러치(68)가 결합될 때 최종 구동부(50)에 선택적으로 연결된다. 또한, 유성 캐리어 부재(46)는 브레이크(66)의 결합에 의해 고정 부재(65)에 그라운드된다. 선택적인 입력 브레이크(69)는 입력 부재(32) 및 이에 따른 엔진(26)을 고정 부재(65)에 그라운드하도록 선택적으로 결합 가능하다. 선택적인 입력 브레이크(69)는 엔진(26)이 오프되고 양 전동기-발전기(60, 80)가 전동기로서 동작하는 전기 전용 AWD(all-wheel-drive) 동작 모드를 가능하게 한다. 또한, 입력 브레이크(69)의 선택적인 제공과 전기 전용 AWD을 위한 이의 사용은 도 1에 도시된 바와 같와 상이한 배열로 이루어질 수 있다.
스타터 전동기(82)가 엔진(26)을 시동하기 위하여 제공되면, 전동기-발전기(60)는 엔진을 시동하기 위하여 전동기로서 사용될 필요가 없고, 발전기로서만 동작 가능하도록 구성될 수 있다. 이러한 실시예에서, 전기 전용 AWD 동작 모드는 사용 가능하지 않을 것이며, 선택적인 입력 브레이크(69)는 제공되지 않을 것이다. 스타터 전동기(82)와 같은 전용 엔진 스타터 전동기가 제공되는 실시예에서, 브레이크(66)는 엔진(26)을 시동하기 위하여 전동기-발전기(60)를 이용하기 위한 반응 토크를 제공할 필요가 없고, 따라서 브레이크(66)는 제공될 필요가 없다. 또한, 전용 엔진 스타터가 제공되는 실시예에서, 유성 기어 세트(40)는 엔진을 시동하는데 사용되지 않고, 클러치(68)는 최종 구동부(50)로부터 유성 기어 세트(40)를 차단할 필요가 없으며, 이에 따라 클러치(68)는 제공될 필요가 없다. 설명된 모든 실시예에서, 제1 전기 기계(60)가 프리휠링하도록 허용함으로써 엔진(26)이 정지된 채로, 차량(10)이 배터리(70) 및 제2 전기 기계(80)에 의해 구동될 수 있다.
트랜스미션(22)과 트랜스미션(122)의 배치는 유사한 기능을 가져서, 트랜스미션(22 또는 122)을 통한 단일의 고정 토크비가 제공되며, 엔진(26)의 속도는 제1 차축(12)의 속도와 전동기-발전기(60)의 속도의 수학적인 선형 조합이다. 그러나, 엔진(26), 최종 구동부(50) 및 전동기-발전기(60) 사이의 정량적인 속도 및 토크 관계는 유성 기어 세트(40)의 부재 상의 동일한 톱니 개수를 갖는 상이한 배치에 대하여 상이하다. 특히, 본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 도 2에서의 배치는 전동기-발전기(60)로부터 더 많은 토크를 필요로 할 것이고, 유사한 결과를 생성하기 위하여는 최종 구동부(50) 내에서 더 낮은 기어비를 필요로 할 것이다.
도 3은 하이브리드 트랜스미션(22)과 전기 구동 모듈(24)을 포함하는 하이브리드 전기 파워 트레인(27)의 일부를 개략적인 형태로 도시한다. 트랜스미션(22)은 엔진(26) 및 제1 차축(12)에 연결된다. 유성 기어 세트(40)는 태양 기어 부재(42), 유성 캐리어 부재(46) 및 링 기어 부재(44) 사이의 토크 및 속도 관계를 나타내도록 레버(lever)로서 도시된다. 제1 최종 구동부(50)는 맞물리는 기어 또는 유사한 기능을 갖는 배치를 나타내는 한 쌍의 원으로서 도시되어, 링 기어 부재(44)로부터 제1 차축(12)으로 최종 구동부(50)에 의해 유효하게 되는 토크 곱 및 속도 감소를 나타낸다. 전기 구동 모듈(24)은 한 쌍의 원으로 도시되어, 전동기-발전기(80)로부터 제2 최종 구동부(72)를 통한 차축(16)으로의 토크 곱 및 속도 감소를 나타낸다.
도 3의 하이브리드 트랜스미션(22)의 실시예에서, 엔진(26)은 유성 캐리어 부재(46)에 동작 가능하게 연결되고, 전동기-발전기(60)는 태양 기어 부재(42)에 동작 가능하게 연결되며, 회전 클러치(68) 및 브레이크(66)는 링 기어 부재(44)에 동작 가능하게 연결된다. 전동기-발전기(60)가 고정되고(그 회전자 부분이 고정된 것을 의미), 회전 클러치(68)가 결합되면, 엔진(26)으로부터 제1 차축(12)으로의 속도비는 유성 기어 부재(46)의 속도를 링 기어 부재(44)의 속도로 나누고 기어 부재(54)의 톱니 개수를 기어 부재(52)의 톱니 개수로 나눈 것인 최종 구동부(50)의 기어비를 곱한 것과 동일하다. 링 기어 부재(44)의 톱니 개수를 태양 기어 부재(42)의 톱니 개수로 나눈 것의 비가 R이라면, 이 경우의 유성 기어 세트(40)를 통한 속도비는 R/(R+1)이 된다. R은 항상 1보다 더 크고, 따라서 태양 기어 부재(42)가 고정된 유성 기어 세트(40)를 통한 속도비는 항상 1보다 작고 0보다 크다. 종래의 트랜스미션에 대하여, 최종 구동부(50)에 대한 유성 기어 세트(40)(즉, 링 기어 부재(44))의 출력의 속도가 엔진(26)으로부터 유성 기어 세트(40)로의 입력의 속도보다 더 크기 때문에, 이는 "오버드라이브(overdrive)"라 불린다.
입력 샤프트(32) 상의 토크에 대한 차축(12)의 토크인 하이브리드 트랜스미션(22)의 토크비는 태양 기어 부재(42)가 고정된 하이브리드 트랜스미션(22)의 속도비와 동일하다. 측정에 의하면, 하이브리드 트랜스미션(22) 내에서의 불가피한 마찰 손실 및 점성 손실 때문에, 차축(12)의 실제 토크는 이러한 토크비 및 엔진으로부터의 토크의 조합에 의해 나타나는 값보다 약간 작을 것이다. 이러한 부수적인 드래그 손실 외에도, 입력 샤프트(32)의 토크에 대한 차축(12)의 토크인 하이브리드 트랜스미션(22)의 토크비는 유성 기어 세트(40)의 기어의 톱니 개수와 최종 구동부(50)의 스프라켓의 비 또는 기어들의 톱니 개수에 기초하여 상수, 즉 단일 값이다. 또한, 토크비의 단일 고정값이라고도 하는 단일 상수값은 전동기-발전기(60)의 속도에 종속하지 않는다. 대조적으로, 차축(12)의 속도에 대한 입력 샤프트(32) 또는 엔진 출력 샤프트(28)의 속도인 하이브리드 트랜스미션(22)의 속도비는 전동기-발전기(60)의 속도와 태양 기어 부재(42)에 기초하여 연속적으로 가변한다.
트랜스미션(22)에서의 유성 기어비와 최종 구동 기어비의 조합은, 차량이 일정한 속도로 순항하고 있을 때, 엔진(26)의 작동 챔버로 공기 또는 공기-연료 혼합물의 흐름을 제한하지 않으면서 연속 엔진 동작을 하는데 필요한 최소 속도 또는 이에 매우 가까운 속도로 엔진(26)이 동작될 수 있게 하도록 선택될 수 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "연속 엔진 동작을 하는데 필요한 최소 속도"는 차량의 추진을 위하여 엔진 출력 토크에서의 미리 결정된 매끄러움 및 일관성이 획득되는 최소 속도다. 예를 들어, 트랜스미션(22)에서 입력 샤프트(32)에 인가된 댐퍼(40)로부터의 토크는 입력 샤프트가 회전함에 따라 미리 결정된 토크 레벨 또는 평균 토크 레벨의 20% 이내에 유지될 필요가 있을 수 있다. 최소 속도는 각 실린더(90)의 변위 체적, 각 실린더(90) 내에서 획득된 피크 압력, 엔진(26)의 왕복 관성, 엔진(26)의 회전 관성 및 댐퍼(30)의 회전 관성과 스프링 강도를 포함할 수 있는 다수의 인자에 의해 결정된다. 엔진(26)의 출력 토크는 각 실린더(90) 내에서 획득된 피크 압력에 의해 부분적으로 결정되어, 따라서 이 최소 속도는 엔진 토크가 증가함에 따라 다소 증가할 수 있다. 하나의 비한정적인 예에서, 유성 기어비와 최종 구동 기어비는, 차량이 일정한 속도로 순항할 때 스트틀링 없이 연속 엔진 동작을 위한 최소 엔진 속도로 엔진(26)이 동작될 수 있도록 선택될 수 있다. 즉, 입력 샤프트(32) 상의 토크에 대한 전방 차축(12)으로부터의 토크의 단일 토크비는, 엔진(26)이 하이브리드 전기 차량(10)의 넓은 범위의 일정한 순항 속도에 대하여 스로틀링 없이 작동할 수 있도록 트랜스미션(22) 설계에서 선택될 수 있고, 가장 낮은 속도는 스토틀링 없이 그리고 전동기-발전기(60)가 고정 상태에 있을 때 엔진(26)을 연속적으로 동작시키기 위한 최소 속도에 대응한다. 또한, 이러한 최소 속도 이상의 속도에서, 엔진(26)은 동일한 토크비에서 스로틀링 없이 그리고 전방 차축에 대하여 토크를 공급하지 않으면서 동작할 수 있지만, 바퀴(14, 16) 상에 더 큰 토크가 차량(10)을 구동하는데 필요할 수 있으며, 그 토크는, 아래에서 더 논의되는 바와 같이, 전동기로서 동작하는 전동기-발전기(80)를 이용하여 전기 구동 모듈(24)에 의해 공급될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "스로틀링 없이(without throttling)" 및 "스로틀링되지 않는(unthrottled)"이라는 표현은, 자신의 토크 출력의 제어를 위하여 스로틀을 이용하는 보통의 스파크-점화 엔진과 같은 엔진의 경우에, "활짝 열린 스로틀" 동작으로 알려진 스로틀이 완전히 열린 위치에 있는 동작을 의미한다. 압축-점화 엔진은 스로틀을 가지지 않지만, 그 토크 출력을 제어하기 위하여 연료만의 제어를 이용할 수 있다. 따라서, 압축-점화 엔진에 대하여, "스로틀링 없이" 및 "스로틀링되지 않는"이라는 용어는 연료가 최대 토크 도는 임의의 다른 토크 출력에 대하여 제어되는지에 대한 압축-점화 엔진의 동작을 말한다. "제한 없이(without restriction)" 및 "제한되지 않는(unrestricted)"라는 용어는 본 명세서에서 스로틀링이 없는 스파크-점화 엔진의 동작과, 과도한 양의 연기 또는 다른 연소되지 않은 연료를 생성하지 않으면서 동작되고 있는 실린더 또는 다른 작동 챔버 내에서 연소될 수 있는 연료의 미리 결정된 최대량을 갖는 압축-점화 엔지의 동작 모두에 적용가능하다.
도 4는 도 2의 하이브리드 트랜스미션(22)을 개략적인 형태로 도시한다. 엔진(26)은 링 기어 부재(44)에 연결되고, 전동기-발전기(60)는 태양 기어 부재(42)에 연결되고, 회전하는 제1 클러치(68)와 제1 브레이크(66)는 유성 캐리어 부재(46)에 연결된다. 전동기-발전기(60)의 회전자가 고정되고 회전하는 제1 클러치(68)가 결합될 때, 트랜스미션(122)의 속도비, 즉 제1 차축(12)의 속도에 대한 엔진 출력 샤프트(28)의 속도의 비는 유성 캐리어 부재(46)의 속도로 나눈 링 기어 부재(44)의 속도에, 기어 부재(54)의 톱니 개수를 기어 부재(52)의 톱니 개수로 나눈 최종 구동부(50)의 기어비를 곱한 것과 같다. 링 기어 부재(44)의 톱니 개수를 태양 기어 부재(42)의 톱니 개수로 나눈 것의 비가 R이라면, 하이브리드 트랜스미션(122)에서 유성 기어 세트(40)를 통한 기어비는 (R+1)/R이 된다. R은 항상 1보다 더 크고, 따라서 태양 기어 부재(42)가 고정 상태에 있을 때 유성 기어 세트(40)를 통한 속도비는 항상 1보다 크다. 엔진(26)의 속도, 전동기-발전기(60)의 속도 또는 제1 차축(12)의 속도에 관계 없이, 트랜스미션(122)의 토크비는 상수값이다. 트랜스미션(22)의 토크비는 전동기-발전기(60)가 고정 상태에 있을 때 트랜스미션의 속도비와 동일한 상수값이다. 대조적으로, 트랜스미션(122)의 속도비는 일정하지 않지만, 대신에 전동기-발전기(60)의 속도를 변경함으로써 연속적으로 가변할 수 있다.
일 실시예에서, 비한정적인 예로서, 트랜스미션(122)에서의 유성 기어비와 최종 구동 기어비의 조합은, 차량(10)이 일정한 속도로 순항하고 있을 때, 효율적인 연속 엔진 동작을 하는데 필요한 최소 속도, 즉 전술한 최소 속도 또는 이에 매우 가까운 속도로 엔진(26)이 동작될 수 있게 하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 유성 기어비와 최종 구동 기어비는, 차량(10)이 일정한 속도로 순항하고 있을 때 활짝 열린 스토틀의 토크 곡선을 따라 연속 엔진 동작을 위한 최소 엔진 속도로 엔진(26)이 동작될 수 있도록 선택될 수 있다. 도 3에서의 하이브리드 트랜스미션(22)과 비교하여, 하이브리드 트랜스미션(122)의 제1 최종 구동부(50)의 기어비는 더 낮을 수 있으며, 동일한 미리 결정된 엔진 효율로 연속 엔진 동작을 위하여 동일한 최소 속도를 여전히 획득할 수 있다.
유성 기어 세트(40)의 기어비, 즉 트랜스미션(22 또는 122)에서의 링 기어 부재(44)와 태양 기어 부재(42)의 톱니의 상대적인 개수와, 제1 최종 구동부(50)의 기어비의 조합은, 엔진(26) 및 차량(10)과 특별한 관계를 가진다. 비한정적인 예로서, 이러한 비들은, 엔진(26)이 온 상태에서 차량(10)의 전방 추진 동안 전동기-발전기(60)가 전동기 역할을 할 필요가 없이 엔진(26)의 엔진 동작 속도의 범위 전체에 걸쳐, 차량이 일정한 속도로 순항하면서 활짝 열린 스로틀로 엔진(26)이 동작하게 하도록 선택될 수 있다. 엔진 동작 속도 범위는, 도 5에 대하여 도시되고 설명된 바와 같이, 연속 엔진 동작을 위한 최소 속도로부터 최대 엔진 속도까지이다. 엔진(26)이 스파크 점화를 갖고 실린더 비활성화를 위하여 구성된 내연 기관이라면, 또는 엔진(26)이 디젤 엔진과 같은 압축-점화 엔진이라면, 스로틀링이 없는 엔진(26)의 실린더(90)의 일부 또는 전부는, 후술되는 바와 같이, 트랜스미션(22 또는 122)을 통한 더 큰 토크비를 허용하도록 엔진(26)으로부터 사용 가능한 최댓값보다 더 작은 토크를 가질 수 있다.
스로틀링 없이, 즉 실린더 비활성화가 사용 가능한 경우 비활성화되지 않은 엔진(26)의 작동 챔버의 일부 또는 전부로 공기 또는 공기-연료 혼합물의 흐름을 부분적으로 제한하지 않으면서 엔진(26)을 동작시키는 것과, 엔진(26)이 온일 때 차량이 일정한 속도로 순항하는 동안 전동기-발전기(60)가 전동기로서 동작될 필요가 없도록 트랜스미션(22 또는 122)의 트랜스미션 토크비(즉, 엔진 출력 샤프트(28)의 토크에 대한 제1 차축(12)의 토크의 비)를 선택하는 것은 유익하다. 이러한 토크비의 선택은 순항 동안의 전동기-발전기(60)에 전력을 공급할 필요를 제거하며, 또한 에너지 저장 장치(70)로부터 올 필요가 있어 이에 따라 결국에는 고갈될 수 있거나 전기 구동 모듈(24) 내의 전동기-발전기(80)로부터 올 필요가 있는 전력을 공급할 필요를 제거한다. 대신에, 트랜스미션(22 또는 122)에서, 전동기-발전기(60)가 항상 발전기로서 또는 단순히 자가 동력형 브레이크로서 동작하고 있는 경우, 엔진(26)이 온이 되어 추진력을 제공하고 있을 때, 전기 구동 모듈(24) 내의 전동기-발전기(80)는 차량(10)의 운동을 유지하는 것을 돕도록 전동기로서 작용할 수 있거나, 차량(10)의 운동에 어떠한 실질적인 영향을 미치지 않으면서 관성으로 움직일 수 있다(전동기-발전기(80)의 회전자가 프리휠링하여). 전동기-발전기(60)는 자신의 회전자의 매우 낮은 회전 속도를 갖는 발전기로서 작용하지만 순 전기 출력을 생산하지도 않고 순 전기 입력을 필요로 하지 않는 경우, 즉, 전동기-발전기(60)가 자신의 회전을 방지하기에 정확히 충분한 전력을 생산할 때에, "자가 동력형 브레이크(self-powered brake)"로서 작용한다.
전동기-발전기(60)는, 후술되는 바와 같이, 엔진(26)을 시동하는데 사용될 때에만 전동기 역할을 하도록 요구된다. 그러나, 전동기-발전기(60)가 엔진(26)을 시동하는데 사용되지 않는다면, 즉 엔진(26)이 도 1에서 점선으로 도시된 선택적인 스타터 전동기(82)와 같은 자신의 스타터 전동기를 구비한다면, 전동기-발전기(60)는 어떠한 차량 동작 조건 하에서도 전동기로서 동작하도록 장비될 필요가 없을 것이며, 사실 발전기로서만 동작 가능하도록 구성될 수 있을 것이다. 제어 스위치 세트를 갖는 컨트롤러가 일반적으로 종래의 전동기-발전기를 전동기로서 동작시키는데 사용되지만, 발전만을 할 수 있는 전기 기계가 교류 전류를 직류 전류로 변환하기 위하여 정류 다이오드만을 필요로 하여 교류 전류를 생성하기 위하여 직류 전류의 흐름을 능동적으로 차단하여야 하는 전력 트랜지스터와 같은 스위치를 포함하는 것에 비하여 비용이 덜 들고 덜 복잡할 수 있기 때문에, 이는 컨트롤러(64)의 간소한 구성을 허용한다.
유성 기어 세트(40)와 최종 구동부(50)에 의해 확립된 하이브리드 트랜스미션(22)의 단일의 고정 토크비, 엔진(26)이 스로틀링 없이 발생한 토크 및 자신의 속도의 함수로서 차량(10)에 의해 발생된 도로 부하는, 전기 구동 모듈(24)이 프리휠링할 때 하이브리드 트랜스미션(22)이 차량을 구동하는 차량 순항 속도를 결정한다. 이 비가 높다면, 이 속도는 높을 것이고, 이 비가 낮다면, 이 속도는 낮을 것이다. 전기 구동 모듈(24)은, 전기 구동 모듈(24)이 프리휠링할 때 하이브리드 트랜스미션(22)에 의해 제공된 순항 속도 이상으로의 순항 속도의 선택을 허용하도록 전동기로서 차량(10)의 동작에 사용된다. 하이브리드 트랜스미션(22)의 토크비는, 스로트링 없이 엔진(26)이 연속 동작하고 전기 구동 모듈이 프리휠링하거나 차량 속도의 관례적인 범위 또는 넓은 범위에 걸쳐 추진을 제공하는 경우에 차량(10)이 순항할 수 있게 하기에 충분히 낮도록 설계에서 선택된다. 예를 들어, 하이브리드 트랜스미션(22)만이 활짝 열린 스로틀로 차량 및 엔진(26)을 구동하는 것으로, 차량(10)은 저속(예를 들어, 40 kph)으로 순항할 수 있지만, 전기 구동 모듈(24)도 추진을 제공하는 것으로, 차량은 최대 차량 속도와 같은 몇 배 더 빠르게(예를 들어, 160 kph) 순항할 수 있다.
도 5는 수평축(112) 상의 엔진 출력 샤프트(28)에서의 분당 회전수(rpm) 단위의 엔진 속도에 대한 수직축(110) 상의 엔진 출력 샤프트(28)에서의 엔진 토크를 최대 출력 토크의 퍼센티지 단위로 가공하지 않고 도시한다. 엔진 출력 토크의 상부 경계선(114)은 활짝 열린 스로틀에서의 엔진(26)(엔진이 스파크-점화 엔진이고, 모든 실린더 상에서 작동하고 있다고 가정한다)과 과도한 연료로의 혼합물의 농축이 효율을 희생하면서 증가된 토크를 허용하는 긴 점선(116)에 의해 도시된 영역을 제외하고는 효율적인 연소를 위하여 균형을 이루는 연료 및 공기의 혼합물인 경우이다. 엔진(26)으로부터 사용 가능한 최대 토크에 대한 선(114)은 엔진(26)의 "토크 곡선(torque curve)"으로서 일반적으로 알려져 있다. 엔진(26)의 일정한 출력 속도에서의 하부 경계는 수직축 근처의 경사진 선(118)의 단부(117)에 있으며, 활짝 열린 스로틀에서의 토크 곡선(114)을 제공하기 위한 최소 엔진 속도(125)에 대응한다. 토크 곡선(114)의 선(118)은 상이한 엔진 출력 토크에 대응하는 최소 엔진 속도에 대한 선이다. 최소 엔진 속도 이하의 엔진 속도에서(즉, 선(118)의 왼쪽으로), 엔진(26)의 주기적인 발화 동작은 허용할 수 없는 불균일한(즉, 불안정한) 출력 속도 및 토크를 야기한다. 선(118)은 출력 속도 및 토크에 대한 미리 결정된 레벨의 안정성을 확립하는 특정 엔진에 대한 테스트에 기초할 수 있다. 엔진(26)이 토크를 생성하지 않는 지점(120)에 도시된 아이들 속도는, 허용 가능한 엔진 동작 속도에서 가장 낮은 한계이다. 엔진 토크가 증가함에 따라, 엔진(26)이 허용 가능하게 매끄럽게 되도록 작동되어야만 하는 최소 속도도 증가한다. 이른바 엔진 "적색선(redline)"(127)인 엔진 손상을 방지하기 위한 엔진 속도에서의 상부 경계는 도 5 및 도 8 모두에서 5000 rpm으로서 도시된다. 주어진 엔진 토크가 안정된 전방 추진을 제공하는 엔진 동작 속도 범위는 최소 엔진 동작 속도(선(118)을 따르는 지점)로부터 최대 엔진 동작 속도(엔진 적색선(127))로 연장되고, 최소 엔진 동작 속도 내지 최대 엔진 동작 속도를 포함하며, 또한 최소 엔진 동작 속도와 최대 엔진 동작 속도도 포함한다. 또한, 엔진(26)은 그에 인가된 토크에 의해 출력 샤프트에 의해 회전되어 음의 출력 토크를 제공할 수 있으나, 이 동작은 도 5에서 생략된다.
도 5에서, 엔진 동작 속도의 범위 내의 윤곽선(124, 126, 128, 130, 132, 134, 136, 138, 140, 142, 144)은, 토크 및 속도의 다양한 조합으로 동작할 때, 엔진(26)의 상이한 효율을 나타낸다. 윤곽선들은 윤곽선(124)으로부터 윤곽선(114)까지 균일한 증분만큼 증가하는 엔진 효율을 반영하도록 이격된다. 3차원 도면에서, 효율 윤곽선은 도 5로부터 외부를 향해 연장될 수 있다. 따라서, 불균일하고 가까이 이격된 인접한 그룹의 선들은 관련된 토크 범위에서 토크 범위를 증가시키는 효율에서의 상대적인 분명한 증가를 반영하고, 서로 균일하게 이격된 선들은 관련된 토크 범위에서 엔진 토크를 증가시키지만 엔진 효율에서의 상대적인 정체를 반영한다. 스로틀링 또는 유사한 토크 제어가 엔진 효율에서 매우 강한 효과를 가지기 때문에, 일정한 엔진 효율의 윤곽선은 일반적으로 엔진 토크 곡선(114)에 대략 유사하다. 스로틀링의 효과는, 114에서 124까지의 윤곽선의 간격에 의해 표시되는 바와 같이, 먼저 엔진 동작이 활짝 열린 스로틀로부터 벗어남에 따라 효율을 점진적으로 감소시키고, 다음으로 출력 토크가 0으로 감소함에 따라 효율을 0으로 가파르게 감소시킨다. 엔진 효율이 많은 인자에 의해 영향을 받기 때문에, 효율에서의 실제 최댓값은 균형을 이루는 연료-공기 혼합물로 모든 실린더(90)가 동작할 때 활짝 열린 스로틀에서의 토크선(엔진 토크 곡선(114))의 약간 아래에서 곡선(144)에 도달할 수 있다. 이러한 최대 효율 선은 활짝 열린 스로틀 토크선(114)의 바로 아래에 있는 최상 효율에 대한 짧은 점선(144)으로 예시된다. 최상 효율에 대한 이러한 선(144)은 각각의 엔진 속도에 대한 최상의 효율을 제공할 엔진 토크를 나타내고, 엔진(26)의 속도가 토크 곡선(114)의 상대적으로 평평한 부분의 아래에서 변경함에 따라 상대적으로 일정한 값을 가진다.
수평면에서 바람이 없을 때 일정한 속도에서, 바퀴(14, 18)를 구동하는데 필요한 토크는, 도 5의 4개의 예시적인 포물선에 의해 표시되는 바와 같이, 제1 차축(12)의 속도에 대한 입력 샤프트(32)(또는 엔진 출력 샤프트(28))의 속도의 트랜스미션 속도비와, 트랜스미션 입력 샤프트(32)(엔진 출력 샤프트(28)와 동일)의 토크에 대한 제1 차축(12)의 토크의 동일한 트랜스미션 토크비의 4가지 상이한 예에 대응하는 도로 부하 곡선(150, 152, 154, 156)이라 하는 바퀴(14, 18)의 속도에 따라 포물선 형태로 가변한다. 도 5에서의 예시적인 도로 부하 곡선(150, 152, 154, 156)에 대하여, 전동기-발전기(60)는 현상을 유지하며, 따라서 각 곡선에 대한 토크비는 곡선에 대한 속도비와 동일하고, 제1 차축(12)으로부터의 동력은 차동 기어 세트(40) 및 최종 구동부(50) 내의 작은 드래그 손실을 제외하고는 트랜스미션 입력 부재(32)에 인가된 동력과 동일하다. 또한, 이러한 예시적인 속도비는 도 8에 나타내어진다. 도 8은 수직축(410) 상의 엔진 출력 샤프트(28)의 rpm 단위의 속도(트랜스미션 입력 부재(32)의 속도와 동일)과 수평축(412) 상의 제1 차축(12)의 속도를 도시한다. 선(160)은 1.07의 속도비이며, 도로 부하 곡선(150)에 대응한다. 선(162)은 1.39의 속도비이며, 도로 부하 곡선(152)에 대응한다. 선(164)은 2.09의 속도비이며, 도로 부하 곡선(154)에 대응한다. 선(166)은 2.79의 속도비이며, 도로 부하 곡선(156)에 대응한다.
제1 고정 속도비 및 대응하는 고정 토크비인 제1 고정 관계가 트랜스미션(22 또는 122)에 의해 제1 차축(12)과 엔진 출력 샤프트(28) 사이에 확립되면, 도로 부하는 도 5에서의 포물선 도로 부하 곡선(150, 152, 154, 156) 중 특정의 하나와 같이 나타난다. 엔진 출력 샤프트(28)에 대한 제1 차축(12)의 속도비는 전동기-발전기(60)가 정지될 때만 고정된다는 것이 이해되어야 한다; 제1 차축(12)에 대한 엔진 출력 샤프트(28)의 토크비는 전동기-발전기(60)의 속도에 관계없이 고정된다. 엔진(26)으로부터의 토크는, 스로틀링 없이 동작될 때, 도로 부하에 비하여, 토크 곡선(114)에 의해 도시된 바와 같이, 엔진(26)의 속도에 대하여 상대적으로 일정한 상태를 유지하며, 따라서 차량(10)은, 공급된 토크가 차량(10)을 일정한(순항) 속도로 구동하기 위하여 엔진(26)으로부터 요구되는 토크와 일치하는데 정확히 충분한 경우, 즉 도로 부하 곡선(150, 152, 154, 156)과 토크 곡선(114)이 교차하는 경우에, 특정 속도(지점(117, 119, 121 또는 123)에서의 엔진 속도에 대응하는 속도)에 안정될 수 있다. 트랜스미션(22, 122)을 통한 고정 속도비를 가정하면(예를 들어, 전동기-발전기(60)가 실질적으로 정지되고, 클러치(68)가 결합될 때 발생하는 바와 같이), 차량(10)이 이러한 상태 하에서 동작하고 있고 약간 방해받아 그 속도가 관련된 평형 지점(117, 119, 121 또는 123)에 대응하는 속도(즉, 대응하는 지점(117, 119, 121 또는 123) 바로 아래의 해당하는 도로 부하 곡선(150, 152, 154 또는 156)을 따르는 속도) 이하로 떨어지는 경우에, 엔진 속도가 감소함에 따라 도로 부하 곡선(150, 152, 154 또는 156) 위에 있는 토크 곡선(114)에 의해 도시된 바와 같이 엔진 토크 능력이 도로 부하를 초과하고, 엔진(26)은 평형 지점(117, 119, 121 또는 123)을 향하여 속도를 증가시킬 것이다. 차량(10)이 (117, 119, 121 또는 123)에 대응하는 속도의 약간 바로 위의 속도로 방해받는다면, 도로 부하는 엔진 토크 능력을 초과하고, 엔진(26)은 평형 지점(117, 119, 121 또는 123)을 향하여 속도를 감소시킬 것이다.
도 5에서는 엔진 출력 샤프트(28)와 차축(12) 사이의 4개의 상이한 고정 속도비와 차축(12)과 엔진 출력 샤프트(28) 사이의 동일한 토크비를 대표하는 단지 4개의 도로 부하 곡선(150, 152, 154, 156)이 도시된다. 실제로는, 유성 기어 세트(40)와 최종 구동부(50)의 설계 및 구성에 의해 확립될 수 있는 고정 속도비 및 대응하는 토크비의 연속체에 대응하는 도로 부하 곡선의 연속체가 있다. 제2 고정 속도비와 대응하는 토크비가 트랜스미션(22 또는 122)에 의해 제1 고정 속도비 및 대응하는 토크비 대신에 확립된다면, 도로 부하는 도 5에서의 특정 포물선 곡선(150, 152, 154 또는 156) 중 다른 하나로서 나타난다. 그 다음, 차량(10)은 스로틀링 없이 그리고 전동기-발전기(60)가 정지된 상태로 상이한 특정 속도에 안정될 것이다. 제1 고정 속도비와 대응하는 토크비에서 확립된 제1 차량 속도를 초과하는 제2 고정 속도비(전동기-발전기(60)가 정지)와 대응하는 토크비에서 확립된 제2 차량 속도에 대하여, 차축(12) 속도에 대한 엔진(26) 속도의 제2 속도비와 엔진(26) 토크에 대한 차축(12) 토크의 대응하는 토크비는 제1 속도비 및 대응하는 토크비를 초과하여야 한다. 일반적으로, 하이브리드 파워 트레인(27)은 차량(10)이 더 빠르게 될 수 있도록 더 큰 토크를 제공하여야 한다. 도 5에서, 주어진 엔진 속도(112)에 대하여, 제1 차축(12)에 대한 엔진 출력 부재(28)의 더 큰 고정 속도비 및 엔진 출력 부재(28)에 대한 제1 차축(12)의 토크비와 관련된 도로 부하 곡선은, 제1 차축(12)에 대한 엔진 출력 부재(28)의 더 작은 고정 속도비 및 엔진 출력 부재(28)에 대한 제1 차축(12)의 토크비와 관련된 도로 부하 곡선의 아래에 있다. 즉, 트랜스미션(22 또는 122)의 속도비와 토크비에 대하여, 도 5의 왼쪽을 향하는 도로 부하 곡선은 더 작은 속도비 및 토크비에서이며, 도 5의 오른쪽을 향하는 도로 부하 곡선은 더 큰 속도비 및 토크비에서이다. 위에서 논의된 바와 같이, 기어 장치에 대하여 속도비가 토크비와 실질적으로 동일하기 때문에, 도 5의 왼쪽을 향하는 도로 부하 곡선은 엔진 출력 샤프트(28)의 토크에 대한 제1 차축(12)의 토크의 더 낮은 토크비에서이고, 도 5의 오른쪽을 향하는 도로 부하 곡선은 엔진 출력 샤프트(28)의 토크에 대한 제1 차축(12)의 토크의 더 높은 토크비에서이다.
차량(10)이 차축(12)의 속도에 대한 엔진 출력 샤프트(28)의 속도의 고정 속도비 및 대응하는 토크비로 낮은 일정한 속도(즉, 저속도의 순항)으로 안정되기 위하여, 고정 속도비는 상대적으로 낮을 필요가 있을 것이다. 고정 속도비 및 체1 차축(12)의 속도가 모두 낮을 수 있기 때문에, 엔진 출력 부재(28)의 속도는 다른 조건 하에서의 자신의 속도에 비하여 매우 낮을 수 있으며, 또한 엔진(26)이 완전한 스로틀에서 동작할 수 있는 속도 이하로, 그리고 아마도 심지어 엔진(26)의 아이들 속도(120) 이하로 될 수 있다. 따라서, 임의의 고정된 속도비에서 동작하는 간단한 트랜스미션을 이용하여 차량(10)을 추진하도록 엔진(26)이 스로틀링되지 않고는 이하로 동작될 수 없는 특정 차량 속도가 존재한다. 즉, 도 5에서, 도로 부하 곡선(150) 상의 평형 지점(117)은 엔진(26)이 전동기-발전기(60, 80)와 배터리(70) 중 어느 하나를 사용하지 않고 차량을 추진하기 위하여 스로틀링되지 않고 동작할 수 있는 최소 속도를 나타낸다. 도 5에서, 가장 왼쪽의 도로 부하 곡선(150)에서의 제1 차축(12) 속도에 대한 엔진(26) 속도의 속도비와 대응하는 토크비의 실질적으로 아래에 있는 제1 차축(12) 속도에 대한 엔진(26) 속도의 속도비와 대응하는 토크비는 엔진 동작 속도 범위를 전혀 구분하지 않을 것이며, 이는 엔진(26) 단독으로는 가장 왼쪽의 도로 부하 곡선(150)의 트랜스미션 속도비 아래에 있는 트랜스미션 속도비를 이용하여 평평한 지면 상의 정상 상태 동작(즉, 일정한 차량 속도)로 차량(10)을 추진할 수 없다는 것을 나타낸다. 대신에, 트랜스미션 속도비 및 대응하는 토크비는 결과에 따른 도로 부하 곡선이 엔진 동작 속도 범위를 통과하도록, 즉 결과에 따른 도로 부하 곡선이 적어도 일부가 최소 엔진 속도에 대한 선(118)을 다소 통과하도록 선택되어야만 한다. 스파크-점화 엔진을 갖는 종래의 차량은 일반적으로 엔진이 고효율로 작동할 수 있는 최소 차량 속도 이하의 동작을 허용하도록 엔진의 스로틀을 부분적으로 폐쇄한다. 낮은 차량 속도에서의 정상 상태 동작을 위하여 스로틀링이 사용되면, 특히 스로틀을 닫으면 엔진 효율이 0으로 떨어지기 때문에, 엔진의 효율은 상당히 악화될 수 있다. 차량(10)과 같은 하이브리드 차량에서, 가역적인 에너지원으로서의 에너지 저장 장치(70)는, 차량(10)을 연속적으로 추진하는 동안, 에너지 저장 장치(70)를 충전하는 동안 엔진(26)에서 간헐적으로 활짝 열린 스로틀 상태로, 그리고 에너지 저장 장치(70)를 방전하는 동안 엔진(26)을 차단하여 파워 트레인(27)을 동작시키는 가능성을 허용한다.
엔진(26)이 최상 효율에 대한 선(114)의 저속단에서 또는 그 근처에서 동작하고 트랜스미션(22 또는 122)이 전동기-발전기(60)가 0 또는 거의 0의 회전 속도를 가지는 속도비(즉, 태양 기어 부재(42)가 정지될 때 차축(12)의 속도에 대한 엔진 출력 샤프트(28)의 속도의 속도비)에서 동작될 때, 차동 기어 세트(40)와 최종 구동부(50)에 의해 확립되는 엔진(26)으로부터의 토크에 대한 제1 차축(12) 상의 토크의 토크비에 기초하여, 차량(10)은 평평한 도로와 정상 상태에서 특정의 일정한 속도(즉, 순항 속도)로 안정될 것이다. 더 큰 차량 순항 속도에서, 파워 트레인(27)은, 양 차축(12, 16)을 고려하여, 더 많은 토크를 제공하여야만 하고, 트랜스미션(22 또는 122)는 정상 상태 동작(즉, 일정한 차량 속도)을 위하여 더 큰 속도비를 제공하여야 한다. 이는 전동기-발전기(60)가 0이 아닌 속도로 회전하는 발전기로서 동작하여 전기를 발전하는 것을 필요로 한다. 도 1 및 3에서, 전동기-발전기(60)는 양의 회전 속도에서 전방으로 이에 인가된 토크와 동일한 방향으로 회전하여, 제1 차축(12)의 속도에 대한 엔진 출력 샤프트(28)의 속도의 더 높은 트랜스미션 속도비(및 엔진 출력 샤프트(28)의 토크에 대한 제1 차축(12)의 토크의 대응하는 더 높은 트랜스미션 토크비)를 허용한다. 도 2 및 4에서, 전동기-발전기(60)는 후방으로 그러나 이에 인가된 토크와 여전히 동일한 방향으로 음의 회전 속도로 회전하여, 제1 차축(12)의 속도에 대한 엔진 출력 샤프트(28)의 속도의 더 높은 트랜스미션 속도비를 허용한다. 전동기-발전기(60)는 전기를 생산할 것이고, 컨트롤러(64)는 이 전기를 케이블(62)을 통해 전동기-발전기(80)로 향하게 하고, 차량(10)을 추진하는데 도움을 주도록 차량(14)에 토크를 인가하기 위한 전동기로서 동작하도록 전동기-발전기(80)를 제어한다.
또한, 낮은 차량 속도에서, 트랜스미션(22 또는 122)은, 발전기 역할을 하는 전동기-발전기(60)의 유사한 회전에 의해, 엔진 동작 속도 범위에서 최소 엔진 속도(118) 이하로 엔진(26)이 동작하지 못하게 하도록, 제1 차축(12)에 대한 엔진 출력 부재(28)로부터의 더 큰 속도비(및 엔진 출력 샤프트(28)의 토크에 대한 제1 차축(12)의 토크의 대응하는 더 큰 트랜스미션 토크비)를 제공하여야만 한다. 전동기-발전기(60)는 전기를 생산할 것이고, 컨트롤러(64)는 이 전기를 케이블(62)을 통해 에너지 저장 장치(70)로 향하게 하여 이에 의해 에너지 저장 장치(70)를 충전할 것이다. 경사 또는 바람이 없을 때 일정한 저속도에서, 트랜스미션(22 또는 122)의 단일의 고정 토크비는 엔진(26)이 더 작은 출력 토크로 동작하는 것을 필요로 할 것이다. 엔진(26)이 자신의 실린더(90)의 일부 또는 전부를 비활성화하도록 장비되지 않는 스파크-점화 엔진인 경우, 이러한 더 작은 토크는 스로틀링 또는 그 균등물을 필요로 할 것이며, 이는 효율을 감소시킬 것이다. 엔진(26)이 자신의 실린더(90)의 일부를 비활성화하도록 장비되어 있는 스파크-점화 엔진인 경우, 나머지 실린더(90)는 스로트링되지 않고 동작될 수 있어, 고효율을 유지시키는 경향이 있을 것이다. 엔진(26)이 디젤 엔진과 같은 압축-점화 엔진인 경우, 스로틀링되지 않기 때문에, 종래의 스파크-점화 엔진보다 더 작은 토크 출력 및 더 적은 효율 감소를 가지면서 이러한 조건 하에서 동작할 수 있다.
에너지 저장 장치(70)의 미리 결정된 최대 충전 상태에서, 컨트롤러(64)는 엔진(26)을 정지시키고, 클러치(68)를 분리하고, 전동기-발전기(80)를 제어하여 전동기로서 기능시켜, 에너지 저장 장치를 방전시키고 차량(10)을 추진할 것이다. 에너지 저장 장치(70)가 미리 결정된 최소 충전 상태에 도달할 때, 컨트롤러(64)는 제1 브레이크(66)를 결합하고, 전동기-발전기(60)를 제어하여 엔진(26)을 시동하기 위한 전동기로서 기능시킬 것이고, 그 다음 브레이크(66)을 분리하고 클러치(68)를 결합하여, 트랜스미션(22 또는 122)의 더 큰 필요 속도비가 제공될 수 있도록 전동기-발전기(60)가 발전기로서 기능하게 컨트롤러(64)에 의해 다시 제어되어, 엔진(26)이 차량을 다시 추진시킬 것이다. 즉, 차량 순항 동안 낮은 차량 속도에서, 엔진(26)은 간헐적으로 작동할 것이다. 브레이크(66)의 분리와 클러치(66)의 결합은 동시에 발생할 수 있어, 브레이크(68)와 클러치(66)가 도그 클러치가 되도록 허용하지만, 대신에 브레이크(68)와 클러치(66)가 플레이트 클러치일 수 있다.
따라서, 최상 효율 곡선(144)을 따르는 것과 같은 미리 결정된 엔진 효율에서의 동작 및 엔진(26)의 속도가 엔진 동작 속도 범위에서 최소 속도 이하로 가지 않는 동작을 위하여, 제1 차축(12)의 속도에 대한 엔진 출력 샤프트(28)의 속도의 정확한 속도비를 유지하도록 전동기-발전기(60)가 전동기로서 동작되어야만 하는 동작 상태는, 하이브리드 파워 트레인(27)에 의한 전방 추진 동안 도달되지 않는다. 이에 따라, 전동기-발전기(80)는 전동기-발전기(60)에 전력을 제공하기 위한 발전기로서 결코 동작할 필요가 없으며, 따라서 후방 차축(16)은 제1 차축(12)에 인가된 전방 토크로 구동되는 동안 차량(10)을 결코 지체시키지 않을 것이다. 반대되는 토크의 이러한 상태는, 전동기-발전기(80)가 발전기로서 기능할 수 있게 하기 위하여 토크를 공급하도록 차량(10)의 원하는 운동을 부여하면서 전동기-발전기(80)가 차축(14)에서 토크(즉, 도로에 의해 제공된 바퀴(18)에서의 토크)를 이용할 필요가 있을 수 있기 때문에, "도로를 통한(through the road)" 파워 루프와 관련된다. 선택적으로, 컨트롤러(64)는 발전기로서 기능하도록 전동기-발전기(80)를 제어할 수 있어, 차량(10)이 내리막 경사로 가고 있거나 또는 감속하는 경우에 이러한 반대되는 토크의 상태를 발생시키며, 이는 소정량의 지체 토크가 차량(10)의 속도를 유지하는데 바람직할 수 있는 경우이다. 그러나, 미리 결정된 엔진 효율에서의 그리고 엔진 동작 속도 범위에 대한 차량의 정상 상태 동작(즉, 일정한 차량 속도에서의 동작)에 대응하여, 파워 트레인(27)이 트랜스미션(22) 또는 다른 트랜스미션(122)에서 배열된 유성 기어 세트(40)로 그리고 유성 기어 세트(40) 및 제1 최종 구동부(50)에서의 기어비의 특정 선택으로 구체적으로 설계되기 때문에, 엔진(26)이 제1 차축(12)에 동작 가능하게 연결되어 이를 구동하는 경우에 전동기-발전기(60)는 결코 전동기로서 기능할 필요가 없고, 전동기-발전기(80)는 결코 발전기로서 기능하도록 제어되지 않는다.
예시적인 비한정적인 예에서, 유성 기어 세트(40)의 배치와, 태양 기어 부재(42), 링 기어 부재(44) 및 유성 기어(47)의 톱니 개수와, 최종 구동부(50)의 비는, 전동기-발전기(60)가 현상을 유지할 때 1.07의 차축(12)의 속도에 대한 엔진 출력 샤프트(28)의 속도의 속도비와, 대략 1.07의 입력 부재(32) 상의 토크에 대한 차축(12) 상의 토크의 토크비를 제공하도록 하이브리드 트랜스미션(22 또는 122)의 설계에서 선택될 수 있으며, 이러한 비들은 차량(10)에 대한 도로 부하 곡선(150)에 대응한다. 따라서, 차량(10)은, 토크 곡선(119)이 도로 부하 곡선(150)과 만나는 지점에서의 엔진(26)의 속도와 그 속도비에 기초하여 차량(10)의 속도에서의 도로 부하 곡선(150)에 대응하는 순항 상태 동안에 스로틀링되지 않고 동작하는 엔진(26)에 의해 추진될 수 있다. 아니면, 최상 효율에 대한 선(144)이 가깝기 때문에, 차량(10)은 최대 효율인 미리 결정된 효율에서 연속적으로 동작하고 차량(10)의 이 속도에서 제1 차축(12)에 의해 구동되는 엔진(26)에 의해 추진될 수 있다. 이 차량 속도 이하에서, 유성 기어 세트(40) 및 트랜스미션(22 또는 122)을 통해 속도비를 증가시키도록 발전기로서 제1 전동기-발전기(60)가 회전하면서, 엔진(26)은 간헐적으로 작동될 수 있고, 전기는 컨트롤러(64)에 의해 변환되어 배터리(70)에 저장되며, 엔진(26)은 모든 실린더(90)를 이용하여 자신의 최소 속도(118)에서 자신의 스로틀링되지 않은 상태 이하로 동작하고, 차량은 제1 차축(12)에 의해 구동된다. 이러한 차량 속도 이상에서, 제1 전동기-발전기(60)가 마찬가지로 속도비를 증가시키도록 발전기로서 회전하면서, 엔진(26)은 연속적으로 그리고 스로틀링되지 않고 작동될 수 있고, 전기는 제2 전동기-발전기(80)에 의해 사용되며, 차량(10)은 제1 차축(12)과 제2 차축(16)의 조합에 의해 구동된다.
도 6은, 도 5의 엔진 동작도를 갖는 동일한 스파크-점화 엔진(26)의 엔진 동작도이며, 엔진(26)이 선택적인 실린더 비활성화로 동작 가능하고 컨트롤러(64)가 도 1의 엔진 실린더(90)의 일부를 선택적으로 비활성화시키도록 구성되는 것을 가정한다. 도 6은 수평축(112) 상의 엔진 출력 샤프트(28)에서의 분당 회전수(rpm) 단위의 엔진 속도에 대한 수직축(110) 상의 최대 토크의 퍼센티지 단위의 엔진 출력 샤프트(28)에서의 엔진 토크의 그래프이다. 실린더 또는 회전자와 같은 복수의 작동 챔버를 갖는 엔진은, 엔진을 통해 선행하는 작동 유체의 순 팽창비를 감소시키지 않으면서 엔진의 토크를 감소시키도록 작동 유체가 챔버의 일부에 선택적으로 유입되고 다른 것에는 유입되지 않을 수 있도록 구성될 수 있다. 심지어 작동 유체가 유입되거나 배출되지 않는 것을 포함하는 모든 챔버를 기계적으로 동작시키는 것은 출력을 감소시키는 동안 실질적으로 동일하게 이러한 엔진에서의 기계적 마찰 레벨을 유지시킬 것이고, 이는 동일한 순 팽창비에서 모든 챔버를 이용하는 동작과 비교하여 그 효율을 다소 감소시킬 것이다. 그러나, 다른 것들이 완전히 닫혀 있는 동안 일부 챔버를 스로틀링되지 않게 동작시키는 것으로부터의 효율 감소는 작동 챔버 모두를 스로틀링하는 것으로부터의 효율 감소보다 더 작다. 엔진(26)의 단지 일부 실린더(90)와 같은 작동 챔버의 일부에만 작동 유체를 선택적으로 유입시키도록 엔진이 장비되면, 전동기-발전기(60)가 정지된 때의 엔진 출력 샤프트(28)로부터의 토크에 대한 제1 차축(12) 상의 토크의 토크비와 제1 차축(12)의 속도에 대한 엔진 출력 샤프트(28)의 속도의 대응하는 속도비는, 특정 개수의 실린더 상에서의 엔진(26)의 활짝 열린 스로틀 동작을 허용하도록 파워 트레인(27)의 설계에서 선택될 수 있다. 비한정적인 예로서, 엔진(26)이 도 1에 도시된 바와 같이 4개의 실린더(90)를 가진다면, 실린더 비활성화 동안 엔진(26)으로부터 사용 가능한 최대 토크에 대한 선(214)(도 6에 도시)은 모든 실린더(90)가 활성화된 도 5의 선(114)보다 상당히 더 낮은 토크(대략 절반)를 가진다. 또한, 엔진 효율에 대한 윤곽선(224, 226, 228, 230, 232, 234, 236, 238, 240, 242, 244)은 동일한 엔진 동작 속도 범위에 대하여 더 낮은 엔진 토크를 가진다.
활짝 열린 스로틀과 엔진(26)의 연속 동작을 위한 최소 차량 속도에서의 4개의 실린더(90) 중 단지 2개만의 선택적인 동작과, 이러한 2개의 실린더만을 이용한 최대 동작을 이용한 최상 효율에 대한 선(244)은 트랜스미션(22 또는 122)이 모든 실린더(90)가 활성화되는 경우(예를 들어 도로 부하 곡선(150)과 관련된 더 낮은 트랜스미션 토크비가 선택되는 경우)의 유사한 미리 결정된 엔진 효율에 대하여 선택된 트랜스미션 토크비보다 도로 부하 곡선(152)과 관련된 토크비와 같은 더 높은 트랜스미션 토크비(즉, 전동기-발전기(60)가 순 전력을 생성하지도 소비하지도 않는 실질적으로 고정된 속도를 가질 때, 엔진 출력 샤프트(28)의 토크에 대한 제1 차축(12)의 토크의 토크비)를 갖도록 설계될 수 있게 하여, 전체 엔진 동작 속도 범위(1000 rpm 내지 5000 rpm)에 대하여 정상 상태에서의 연속 엔진 동작을 허용한다.
도 7은 수평축(212) 상의 엔진 출력 샤프트(28)에서의 분당 회전수(rpm) 단위의 엔진 속도에 대한 수직축(210) 상의 엔진 출력 샤프트(28)에서의 최대 출력 토크의 퍼센티지 단위의 엔진 토크의 그래프이다. 도 7은 엔진(26)이 디젤 엔진과 같은 압축-점화 엔진이라고 가정하여 엔진(26)의 동작 특성을 반영한다. 압축-점화 엔진은 일반적으로 스로틀링되지 않으며, 따라서 최대 토크 곡선(314)과 최대 토크 곡선(344) 근처에서의 상대적으로 균일한 증분으로 이격된 효율 윤곽선(324, 326, 328, 330, 332, 334, 336, 338, 340, 342, 344)에 의해 반영되는 넓은 범위에서의 엔진 동작 토크에 걸친 상대적으로 일정한 효율과, 0 토크 근처에서의 빠르게 감소하는 효율을 갖는 엔진 효율 맵을 구비한다. 차축(12)의 속도에 대한 엔진 출력 샤프트(28)의 속도의 임의의 주어진 속도비(전동기-발전기(60)가 정지된 것으로 가정)와 대응하는 토크비로 설계된 트랜스미션(22 또는 122)은 엔진 동작 속도의 범위에 걸쳐 토크를 전달하는데 있어서 엔진(26)의 비효율적인 동작 범위를 덜 접할 것이다. 예를 들어, 2.09의 속도비를 반영하는 도로 부하 선(154)은, 도 5에서의 도로 부하 선(154)에 의해 도시된 바와 같이, 스파크-점화 엔진에 대하여 선택된 동일한 속도비보다 1000 rpm 내지 2500 rpm 사이에서의 엔진 속도에서 일정한 순항 속도로 더 효율적인 엔진 성능을 허용한다. 따라서, 더 큰 트랜스미션 속도비와 대응하는 토크비는, 차축(12) 상에서 엔진(26)으로부터 사용 가능한 더 큰 토크의 이점과 가속용 및 언덕 오르기용 토크를 제공하기 위하여 전동기-발전기(80)에 의존할 필요가 줄어드는 이점을 가지면, 엔진 효율을 희생시키지 않고, 엔진(26)이 스파크-점화 엔진인 경우보다 엔진(26)이 디젤 엔진인 경우에 선택될 수 있다.
파워 트레인(27)의 구성은 바퀴 슬립으로부터의 효율적의 회복을 가능하게 한다. 구체적으로는, 컨트롤러(64)는, 차축(12, 16) 상에 위치된 토크 센서에 의해서와 같이, 바퀴 슬립을 나타내는 동작 파라미터를 수신하도록 구성된다. 바퀴 차축(12)에서의 토크의 급작스러운 감소로서 반영되는 전륜(14) 중 하나에서의 바퀴 슬립 이벤트에서, 컨트롤러(64)는 전륜(14) 중 미끄러지는 한 바퀴 상에서 마찰 브레이크 기구(20)의 적합한 결합 레벨을 발생시키도록 제동 명령 신호를 생성함으로써 전륜(14) 중 다른 바퀴에 토크를 인가할 수 있다. 전방의 전동기-발전기(60)는 엔진(26)이 전륜(14)을 구동할 수 있게 하도록 유성 기어 세트(40)에 반응 토크를 제공하고, 후륜을 구동하기 위하여 후방 전동기-발전기(80)에 전력을 공급하는 발전기 역할을 할 수 있다. 이러한 상태 하에서, 그리고 전륜(14) 모두가 미끄러지고 있다면, 양 전방 브레이크 기구(20)의 적용이 전방의 전동기-발전기(60) 상에 토크를 증가시켜, 이에 의해 차량(10)을 구동하기 위하여 공급되는 토크 및 후방의 전동기-발전기(80)로의 전력 흐름을 증가시키는데 사용될 수 있다. 이 대신에 또는 이에 더하여, 컨트롤러(64)는 전력이 에너지 저장 장치(70)로부터 전동기-발전기(80)로 흐르게 할 수 있고, 전동기-발전기(80)를 제어하여 전동기로서 기능하게 하여 이에 의해 후방 차축(16)에 추가적인 토크를 인가할 수 있어, 차량(10)에 의한 정지 마찰력의 회수를 돕는다. 더하여, 상기 슬립 회복 동작에 더하여, 또는 상기 동작 대신에, 전동기-발전기(60)를 제어하여 발전기로서 기능시키고, 전동기로서 기능하도록 제어된 전동기-발전기(80)에 전력을 전송하는 동안, 컨트롤러(64)는 제1 클러치(68)의 분리, 제1 브레이크(66)의 결합, 엔진 출력 샤프트(28)의 토크 감소 및 그 속도 증가를 발생시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 토크는 미끄러지는 바퀴(14) 및 차축(12)으로부터 제거되고, 차축(16)에 인가된다.
유사하게, 컨트롤러(64)가 바퀴(18) 중 어느 하나가 또는 양자가 미끄러지고 있다고 판단하면, 컨트롤러(64)는 바퀴(10)의 정지 마찰력의 회수를 돕는 슬립 회복 동작을 수행하도록 구성된다. 예를 들어, 컨트롤러(64)는 전동기-발전기(60)에 의해 생성된 전력을 전동기-발전기(80) 대신에 에너지 저장 장치(70)로 향하게 하여 바퀴(18)에 인가된 토크를 줄인다. 이 대신에 또는 이에 더하여, 컨트롤러(64)는 바퀴(14 및/또는 18) 상에서 마찰 브레이크 기구(20)의 적합한 레벨의 결합을 발생시키도록 제동 명령 신호를 생성함으로써 바퀴(14 및/또는 18)에 토크를 인가할 수 있다. 마찰 브레이크 기구(20)의 선택적인 결합에 의한 바퀴(14) 및 이에 의한 차축(12)에 인가된 토크는, 엔진(26)으로부터의 토크 및 전동기-발전기(60) 상의 토크와 전동기-발전기(60)로부터 출력된 전력을 유지하는 동안 바퀴(14)의 미끄러짐을 방지할 수 있다.
본 개시 내용의 많은 양태를 실시하기 위한 최상의 형태가 상세하게 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 첨부된 특허청구범위 내에 있는 본 개시 내용을 실시하기 위한 다양한 다른 양태를 인식할 수 있을 것이다.

Claims (10)

  1. 제1 차축과 제2 차축을 갖는 하이브리드 차량에 있어서,
    작동 유체를 팽창시키도록 동작 가능한 하나 이상의 작동 챔버를 갖는 엔진;
    제1 부재, 제2 부재 및 제3 부재를 갖는 차동 기어 세트와, 제1 최종 구동부와, 제1 전기 기계를 구비하는 전기 트랜스미션; 및
    제2 최종 구동부를 통해 상기 제2 차축에 동작 가능하게 연결되는 제2 전기 기계를 구비하는 전기 구동 모듈
    을 포함하고,
    상기 엔진은 상기 제1 부재와 공통 회전을 위하여 연결되고, 상기 제1 전기 기계는 상기 제2 부재와 공통 회전을 위하여 연결되고, 상기 제3 부재는 상기 제1 최종 구동부를 통해 상기 제1 차축과 동작 가능하게 연결되고,
    상기 차동 기어 세트와 상기 제1 최종 구동부는, 상기 엔진의 토크에 대한 상기 제1 차축의 토크의 단일 고정 토크비를 확립하도록 구성되고,
    상기 단일 고정 토크비는, 상기 엔진으로부터의 토크가 상기 차량을 일정한 차량 속도로 추진하는데 필요한 토크를 초과하지 않고, 상기 제2 전기 기계가 프리휠링하는 경우에, 상기 하나 이상의 작동 챔버가 스로틀링 없이 동작하는 토크비인,
    하이브리드 차량.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제3 부재를 상기 제1 최종 구동부에 연결하도록 선택적으로 결합 가능한 제1 클러치를 더 포함하고,
    상기 차동 기어 세트와 상기 제1 최종 구동부는, 상기 제1 클러치가 결합되고 상기 제1 전기 기계가 정지될 때, 상기 제1 차축의 속도에 대한 상기 엔진의 속도의 고정 속도비를 확립하고,
    상기 엔진은, 상기 고정 속도비와 상기 일정한 차량 속도에서의 일정한 엔진 토크를 위해 필요한 미리 결정된 최소 속도로 동작하는,
    하이브리드 차량.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제3 부재를 상기 제1 최종 구동부에 연결하도록 선택적으로 결합 가능한 제1 클러치;
    상기 제3 부재를 고정 부재에 그라운드하도록 선택적으로 결합 가능한 제1 브레이크; 및
    상기 제1 및 제2 전기 기계, 상기 제1 클러치, 상기 제1 브레이크 및 상기 엔진에 동작 가능하게 연결되는 전기 컨트롤러
    를 더 포함하고,
    상기 컨트롤러는, 상기 하나 이상의 작동 챔버가 상기 일정한 차량 속도 이상의 차량 속도에서 스로틀링되지 않고 동작할 때, 2 차축 구동 입력 분리 동작 모드(two axle-drive, input-split operating mode)에서, 상기 제1 전기 기계를 발전기로서 동작시키고 상기 제2 전기 기계를 상기 제1 전기 기계에 의해 제공되는 전력을 이용하는 전동기로서 동작시키도록 구성되는,
    하이브리드 차량.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제3 부재를 상기 제1 최종 구동부에 연결하도록 선택적으로 결합 가능한 제1 클러치;
    상기 제3 부재를 고정 부재에 그라운드하도록 선택적으로 결합 가능한 제1 브레이크;
    상기 제1 및 제2 전기 기계, 상기 제1 클러치, 상기 제1 브레이크 및 상기 엔진에 동작 가능하게 연결되는 전기 컨트롤러; 및
    에너지 저장 장치
    를 더 포함하고,
    상기 일정한 차량 속도 이하의 차량 속도에서, 상기 컨트롤러는, (i) 상기 하나 이상의 작동 챔버가 스로틀링되지 않고 동작할 때, 상기 에너지 저장 장치 또는 상기 제2 전기 기계에 전력을 공급하는 발전기로서 상기 제1 전기 기계를 동작시키는 것 및 (ii) 제2 차축 구동 전기 전용 동작 모드(second axle-drive, elecric-only operating mode)에서, 상기 엔진을 정지시키고, 상기 제2 전기 기계를 전동기로서 동작시키는 것 사이에서 스위칭하도록 구성되는,
    하이브리드 차량.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 작동 챔버는 복수의 작동 챔버를 포함하고,
    상기 하이브리드 차량은,
    상기 제3 부재를 상기 제1 최종 구동부에 연결하도록 선택적으로 결합 가능한 제1 클러치;
    상기 제3 부재를 고정 부재에 그라운드하도록 선택적으로 결합 가능한 제1 브레이크; 및
    상기 제1 및 제2 전기 기계, 상기 제1 클러치, 상기 제1 브레이크 및 상기 엔진에 동작 가능하게 연결되는 전기 컨트롤러
    를 포함하고,
    상기 컨트롤러는, 상기 복수의 작동 챔버 모두를 선택적으로 동작시키는 것과, 상기 복수의 챔버 모두보다 적은 미리 결정된 개수의 상기 복수의 챔버만을 선택적으로 동작시키는 것 사이에서 스위칭하도록 구성되고,
    상기 단일 고정 토크비는 상기 미리 결정된 개수의 상기 복수의 작업 챔버만을 이용한 엔진 동작에 기초하여 결정되는,
    하이브리드 차량.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 엔진은 압축-점화 엔진인,
    하이브리드 차량.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제3 부재를 상기 제1 최종 구동부에 연결하도록 선택적으로 결합 가능한 제1 클러치;
    상기 제3 부재를 고정 부재에 그라운드하도록 선택적으로 결합 가능한 제1 브레이크; 및
    상기 제1 및 제2 전기 기계, 상기 제1 클러치, 상기 제1 브레이크 및 상기 엔진에 동작 가능하게 연결되는 전기 컨트롤러
    를 포함하고,
    상기 컨트롤러는, 제2 차축 구동 전기 전용 동작 모드에서 전동기로서 동작하는 상기 제2 전기 기계에 의해 상기 차량의 전방 추진이 제공되는 경우에, 상기 엔진을 시동하기 위하여 상기 제1 브레이크만을 선택적으로 결합하고 상기 제1 전기 기계를 전동기로서 동작시키도록 구성되어, 상기 엔진이 시동될 때 상기 차량의 전방 추진이 방해받지 않는,
    하이브리드 차량.
  8. 제1 차축과 제2 차축을 갖는 하이브리드 차량에 있어서,
    엔진;
    제1 부재, 제2 부재 및 제3 부재를 갖는 차동 기어 세트와, 제1 최종 구동부와, 제1 전기 기계를 구비하는 전기 트랜스미션; 및
    제2 최종 구동부를 통해 상기 제2 차축에 동작 가능하게 연결되는 제2 전기 기계를 구비하는 전기 구동 모듈
    을 포함하고,
    상기 엔진은 상기 제1 부재와 공통 회전을 위하여 연결되고, 상기 제1 전기 기계는 상기 제2 부재와 공통 회전을 위하여 연결되고, 상기 제3 부재는 상기 제1 최종 구동부를 통해 상기 제1 차축과 동작 가능하게 연결되고,
    상기 전기 트랜스미션은 상기 엔진의 토크에 대한 상기 제1 차축의 토크의 고정 토크비를 확립하도록 구성되고,
    상기 차량을 제1의 일정한 차량 속도로 추진하도록 상기 제2 전기 기계가 프리휠링하고, 상기 엔진은 스로틀링 없이 동작하고, 상기 전기 트랜스미션은 상기 고정 토크비로 동작하며,
    상기 차량을 추진하도록 상기 제1 전기 기계가 발전기로서 동작하고 상기 제2 전기 기계가 전동기로서 동작하여, 상기 차량을 제2의 일정한 차량 속도로 추진하도록 상기 엔진은 스로틀링 없이 동작하고 상기 전기 트랜스미션은 상기 고정 토크비로 동작하는,
    하이브리드 차량.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2의 일정한 차량 속도는 상기 제1의 일정한 차량 속도의 적어도 2배인,
    하이브리드 차량.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제1 전기 기계는 발전기로서만 동작 가능하도록 구성된,
    하이브리드 차량.
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