KR101428107B1 - 하이브리드 차량의 파워트레인 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 모터의 보수 및 점검이 용이하게 이루어질 수 있으며, 주변 장치로부터의 열에 의한 모터제너레이터의 열해를 최소화시킬 수 있고, 모터제너레이터의 고장시에 엔진에 의한 원활한 차량 운행이 가능하도록 하며, 동력을 차량의 주행이 아닌 특수한 목적으로 인출하는 경우에 엔진은 정지한 상태에서 모터제너레이터만으로 간단히 동력을 인출할 수도 있도록 구성하여 불필요한 소음과 배기가스의 발생을 억제할 수 있도록 한 하이브리드 차량의 파워트레인를 제공한다.
하이브리드, 열해, PTO, 자동화 수동변속기

Description

하이브리드 차량의 파워트레인{Power Train for Hybrid Vehicle}
본 발명은 하이브리드 차량의 파워트레인에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 내연기관인 엔진과 전기적 에너지로 구동되는 모터에서 발생되는 동력을 사용하여 차량을 구동할 수 있도록 하는 하이브리드 차량의 파워트레인 구성에 관한 기술이다.
엔진과 모터를 사용하는 하이브리드 차량은, 저속에서는 상대적으로 저속토크특성이 우수한 모터로부터의 동력을 구동력으로 이용하도록 하고, 고속에서는 상대적으로 고속토크특성이 우수한 엔진으로부터의 동력으로 차량이 구동되도록 하는 개념을 기반으로 하여 차량의 연비를 개선하도록 하고 있다.
또한, 하이브리드 차량은 모터만으로 구동되는 동안에는 엔진에 의한 배기가스가 발생할 여지가 없어서, 연비 개선과 배기가스 저감의 장점을 가진 친환경적인 자동차 기술로 인정받고 있다.
그런데, 종래의 하이브리드 차량은 상기 모터가 대체로 엔진이나 변속장치에 내장되어 있어서, 상기 모터를 보수 및 점검하기 위해서는 엔진이나 변속장치의 본 체부분까지 분해해야 하며, 상기와 같이 모터가 엔진이나 변속장치의 내부 일체형으로 제작되기 때문에 항상 열적으로 열악한 환경에 그대로 놓여져 있어, 그 열기로 인하여 모터코일, 고정자 등이 고장나거나 오동작을 일으킬 염려가 있어서, 이를 방지하기 위한 별도의 열해 대책이 강구되어야 하므로 가격이 높아지게 하는 원인이 된다.
또한, 종래의 하이브리드 파워트레인에서는 모터가 고장을 일으키게 되면, 차량구동시스템의 전체로 영향을 미치게 되어, 차량품질문제를 야기시킬 수 있는 단점이 있고, 트럭 등의 특수목적으로 차량을 이용할 경우 차량동력원을 인출할 수 있는 장치가 필요한데, 이때 모터만으로 동력을 인출하여 작업을 하면 충분한 경우에도 엔진이 함께 회전될 수 있어서 불필요한 소음이나 배기가스 배출문제를 야기시킬 수 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 제반 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 모터의 보수 및 점검이 용이하게 이루어질 수 있으며, 주변 장치로부터의 열에 의한 모터의 열해를 최소화시킬 수 있고, 모터의 고장시에 엔진에 의한 원활한 차량 운행이 가능하도록 하며, 동력을 차량의 주행이 아닌 특수한 목적으로 인출하는 경우에 엔진은 정지한 상태에서 모터만으로 간단히 동력을 인출할 수도 있도록 구성하여 불필요한 소음과 배기가스의 발생을 억제할 수 있도록 한 하이브리드 차 량의 파워트레인을 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 안출된 본 발명 하이브리드 차량의 파워트레인은
엔진냉각팬에 연결된 제1모터제너레이터와;
상기 제1모터제너레이터와 엔진의 크랭크축 사이에 동력을 단속시키도록 구비된 제1클러치와;
상기 엔진의 크랭크축에 입력축이 연결된 변속기와;
상기 변속기의 입력축과 상기 크랭크축 사이에 동력을 단속시키도록 구비된 엔진클러치와;
상기 변속기의 입력축에 연결된 제2모터제너레이터와;
상기 변속기의 입력축과 출력축 사이에 설치된 보조클러치;
를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 제2모터제너레이터에는 동력 인출용 PTO(Power Take Off)부재가 연결되고;
상기 엔진냉각팬과, 제1모터제너레이터와, 엔진과, 엔진클러치와, 변속기와, 상기 제2모터제너레이터 및 상기 PTO부재는 차례로 배치되며;
상기 제1모터제너레이터와 제2모터제너레이터는 인버터를 통해 충방전장치 에 연결된 구조로 할 수 있다.
상기 제1모터제너레이터는 상기 냉각팬과 엔진의 사이의 상기 엔진 외부에 설치되고;
상기 제2모터제너레이터는 상기 변속기의 변속기케이스 외부에 설치된 구조로 할 수 있다.
상기 변속기는 자동화수동변속기로 구성되며;
상기 보조클러치는 상기 변속기의 변속기케이스 외부에 설치된 구조로 할 수 있다.
본 발명은 모터의 보수 및 점검이 용이하게 이루어질 수 있으며, 주변 장치로부터의 열에 의한 모터제너레이터의 열해를 최소화시킬 수 있고, 모터제너레이터의 고장시에 엔진에 의한 원활한 차량 운행이 가능하도록 하며, 동력을 차량의 주행이 아닌 특수한 목적으로 인출하는 경우에 엔진은 정지한 상태에서 모터제너레이터만으로 간단히 동력을 인출할 수도 있도록 구성하여 불필요한 소음과 배기가스의 발생을 억제할 수 있도록 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명 실시예의 파워트레인은 엔진냉각팬(1)에 연결된 제1모터제너레이터(3)와; 상기 제1모터제너레이터(3)와 엔진의 크랭크축 사이에 동력을 단속시키도록 구비된 제1클러치(5)와; 상기 엔진의 크랭크축에 입력축(7)이 연결된 변속기(9)와; 상기 변속기(9)의 입력축(7)과 상기 크랭크축 사이에 동력을 단속시키도록 구비된 엔진클러치(11)와; 상기 변속기(9)의 입력축(7)에 연결된 제2모터제너레이터(13)와; 상기 변속기(9)의 입력축(7)과 출력축(15) 사이에 설치된 보조클러치(17)를 포함하여 구성된 다.
상기 제1모터제너레이터(3)는 상기 엔진냉각팬(1)과 엔진(19)의 사이의 상기 엔진(19) 외부에 설치되고, 상기 제2모터제너레이터(13)는 상기 변속기(9)의 변속기케이스 외부에 설치된다.
따라서, 종래의 엔진(19)과 변속기(9) 구조를 변경하지 않고도 용이하게 하이브리드 파워트레인으로 변경할 수 있으며, 상기 제1모터제너레이터(3)와 제2모터제너레이터(13)는 엔진(19)과 변속기(9)의 외부에 설치되어 있어서, 그 보수 및 점검이 매우 용이하게 이루어질 수 있고, 엔진(19)이나 변속기(9)에서 발생되는 열에 의한 대책을 별도로 강구할 필요가 없이 매우 효율적인 냉각이 가능하다.
본 실시예에서 상기 변속기(9)는 자동화수동변속기(9)로 구성되며, 상기 제2모터제너레이터(13)에는 동력 인출용 PTO부재(21)가 연결되고, 상기 보조클러치(17)는 상기 변속기(9)의 변속기케이스 외부에 설치된 구조로 하였다.
상기 자동화수동변속기(9)는 기본적인 변속메커니즘은 종래의 수동변속기(9)와 동일하게 구성되지만, 액츄에이터의 도움으로 변속조작을 더욱 용이하게 할 수 있도록 한 것으로, 본 실시예에서는 상기 보조클러치(17)와 함께 연동하여 제어되도록 구성함으로써, 변속시 동력 단절을 최소화하여, 구동륜에 가급적 지속적이고 안정적인 동력 전달이 이루어지도록 하여 변속충격을 최소화 할 수 있도록 한다.
본 실시예에서, 상기 엔진냉각팬(1)과, 제1모터제너레이터(3)와, 엔진(19)과, 엔진클러치(11)와, 변속기(9)와, 상기 제2모터제너레이터(13) 및 상기 PTO부재(21)는 차례로 배치되도록 구성하였으며, 상기 제1모터제너레이터(3)와 제2모터제너레이터(13)는 인버터(23)를 통해 충방전장치(25)에 연결된 구조이다.
상기 충방전장치(25)는 고전압배터리 등이 될 것이다.
상기한 바와 같이 구성된 파워트레인의 각 모드별 작용을 도 2 내지 도 8을 참조하여 살펴본다.
도 2는 엔진(19)주행모드를 표현한 것으로서, 엔진(19)에서 발생된 동력은 엔진클러치(11)를 통해 변속기(9) 입력축(7)으로 전달되고, 이 동력은 변속기(9) 내에서 변속되어 출력축(15)을 통해 구동륜으로 전달된다. 즉, 종래의 일반적인 엔진(19)만 구비한 차량과 같이 동작되는 것이다.
따라서, 상기 모터제너레이터들에 고장이 발생한 경우에도 종래의 일반적인 차량과 같이 원활하게 차량의 구동이 이루어질 수 있게 된다.
이때, 상기 제1모터제너레이터(3)는 상기 엔진냉각팬(1)을 구동하는 동력을 발생시킬 수도 있고, 상기 제1클러치(5)를 체결하여 상기 엔진(19)의 동력으로 상기 엔진냉각팬(1)이 구동되도록 함은 물론, 상기 제1모터제너레이터(3)가 발전을 하여 상기 충방전장치(25)에 전기에너지를 저장하도록 할 수도 있다.
도 3은 엔진(19)의 정지하고 모터제너레이터의 힘만으로 차량이 구동되는 전기차모드를 도시한 것으로서, 상기 제2모터제너레이터(13)가 발생시킨 동력은 상기 변속기(9) 입력축(7)을 통해 변속기(9)로 공급되고, 변속기(9) 내부에서 변속되어 출력축(15)으로 인출되어 구동륜에 전달되게 되며, 상기 엔진(19)은 상기 엔진클러치(11)에 의해 상기 변속기(9) 입력축(7)과 차단된 상태로 정지한 상태이다.
따라서, 차량은 상기 제2모터제너레이터(13)의 토크만으로 주행하게 되며, 주행환경에 따라 상기 보조클러치(17)를 체결하여, 상기 제2모터제너레이터(13)의 토크를 상기 변속기(9)를 거치지 않고 직접 출력축(15)으로 전달하도록 할 수도 있다.
도 4는 공회전 시동모드로서, 차량의 아이들스탑 기능 구현시 등과 같은 경우에, 엔진(19)이 정지된 상태로부터 상기 엔진(19)을 시동시키는 것으로서, 상기 제1모터제너레이터(3)와 제2모터제너레이터(13)를 구동시켜 토크를 발생시키고, 이때 상기 엔진클러치(11)를 체결상태에 두고 상기 변속기(9)는 중립상태를 유지하면, 상기 제1모터제너레이터(3)와 제2모터제너레이터(13)에서 발생된 토크는 상기 엔진(19)으로 전달되어, 엔진(19)의 시동이 이루어지도록 한다.
물론, 상기 제2모터제너레이터(13)는 구동하지 않고, 상기 엔진클러치(11)를 차단한 상태에서 상기 제1모터제너레이터(3)만으로 엔진(19)을 시동시키는 것도 가능하겠지만, 보다 신속하고 원활한 엔진(19) 시동을 위해 상기 제2모터제너레이터(13)를 함께 사용하도록 하는 예를 설명하였다.
도 5는 발진 및 가속보조모드로서, 차량의 정지 또는 주행중 가속시에 순간적인 차량 구동력이 필요하게 되면, 상기 엔진(19)과 함께 제1모터제너레이터(3)와 제2모터제너레이터(13)를 함께 구동하여 구동력을 최대로 발휘할 수 있도록 하는 모드이다.
즉, 상기 제1모터제너레이터(3)에서 발생된 동력은 상기 엔진(19)으로 전달되어 엔진(19)에서 발생된 동력과 함께 상기 엔진클러치(11)를 통하여 변속기(9)의 입력축(7)으로 전달되고, 상기 제2모터제너레이터(13)에서 발생된 동력은 바로 상기 변속기(9) 입력축(7)에 작용하므로, 상기 변속기(9)에서는 상기 제1모터제너레이터(3)와 엔진(19) 및 상기 제2모터제너레이터(13)에서 공급하는 모든 토크를 출력축(15)으로 인출할 수 있도록 하여, 강한 구동토크를 구동륜으로 제공할 수 있도록 하는 것이다.
도 6은 충전형 전기차모드로서, 종래의 직렬형 하이브리드 차량과 동일한 동력 흐름을 구성하는 모드이다.
즉, 상기 엔진클러치(11)를 차단한 상태에서, 상기 엔진(19)을 구동하여 상기 제1모터제너레이터(3)를 발전기로 사용하여 발전을 하며, 상기 발전된 에너지는 상기 인버터(23)를 통해 상기 충방전장치(25)로 공급하고, 상기 충방전장치(25)로부터의 전기에너지로 상기 인버터(23)는 상기 제2모터제너레이터(13)에 필요한 전기를 공급하여, 상기 제2모터제너레이터(13)가 구동됨으로써, 차량은 상기 제2모터제너레이터(13)에서 발생된 토크만으로 구동되는 것이다.
즉, 상기 엔진(19)과 제1모터제너레이터(3)는 상기 제2모터제너레이터(13)에서 사용하는 전기에너지를 보충해주는 역할을 하는 것이다.
물론, 이 상태에서도, 상기 제2모터제너레이터(13)에서 발생된 동력은 상기 변속기(9)를 통해 변속된 상태로 상기 출력축(15)으로 인출되도록 할 수도 있고, 상기 보조클러치(17)를 통해 직접 상기 출력축(15)으로 인출할 수도 있다.
도 7은 회생제동모드로서, 차량이 주행중 감속하게 되면, 상기 구동륜으로부터 역류하는 토크를 상기 제1모터제너레이터(3)와 제2모터제너레이터(13)에서 흡수하여 발전을 하며, 이 발전된 전기에너지를 상기 인버터(23)를 통해 상기 충방전장치(25)에 저장하도록 하는 모드인 것이다.
이때 상기 출력축(15)으로부터 변속기(9)로 들어온 토크는 상기 제2모터제너레이터(13)로 전달되어, 상기 제2모터제너레이터(13)가 발전을 하여 상기 인버터(23)를 통해 상기 충방전장치(25)에 전기에너지를 충전하게 되며, 상기 엔진클러치(11)와 제1클러치(5)를 체결하면 상기 제1모터제너레이터(3)에서도 발전을 하여 상기 충방전장치(25)를 충전시킬 전기를 발전하게 된다.
도 8은 변속토크 보조모드로서, 상기 변속기(9)의 변속시에 상기 제2모터제너레이터(13)에서 토크를 발생시켜서 상기 보조클러치(17)로 상기 출력축(15)에 동력을 전달시킬 수 있어서, 상기 출력축(15)에 동력이 차단되는 시간을 최소화할 수 있으므로, 변속감을 향상시키고 차량의 속도저감을 최소화할 수 있게 된다.
한편, 상기 제2모터제너레이터(13)는 차량의 구동 이외에 트럭 등에서 별도로 동력을 인출하여 사용하고자 할 때, 엔진(19)을 구동시키지 않아도, 동력을 인출하여 사용할 수 있도록 한다.
즉, 상기 제2모터제너레이터(13)를 구동하여 상기 PTO부재(21)를 통해 동력을 인출하여 사용할 수 있는 것이다.
이때, 물론, 상기 엔진클러치(11)는 차단되고 상기 엔진(19)을 정지하도록 하여, 불필요한 소음과 배기가스의 배출을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 파워트레인의 구성을 설명한 도면,
도 2는 도 1의 파워트레인의 엔진주행모드를 설명한 도면,
도 3은 도 1의 파워트레인의 전기차모드를 설명한 도면,
도 4는 도 1의 파워트레인의 공회전 시동모드를 설명한 도면,
도 5는 도 1의 파워트레인의 발진 및 가속보조모드를 설명한 도면,
도 6은 도 1의 파워트레인의 충전형 전기차모드를 설명한 도면,
도 7은 도 1의 파워트레인의 회생제동모드를 설명한 도면,
도 8은 도 1의 파워트레인의 변속토크 보조모드를 설명한 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>
1; 엔진냉각팬 3; 제1모터제너레이터
5; 제1클러치 7; 입력축
9; 변속기 11; 엔진클러치
13; 제2모터제너레이터 15; 출력축
17; 보조클러치 19; 엔진
21; PTO부재 23; 인버터
25; 충방전장치

Claims (4)

  1. 엔진냉각팬에 연결된 제1모터제너레이터와;
    상기 제1모터제너레이터와 엔진의 크랭크축 사이에 동력을 단속시키도록 구비된 제1클러치와;
    상기 엔진의 크랭크축에 입력축이 연결된 변속기와;
    상기 변속기의 입력축과 상기 크랭크축 사이에 동력을 단속시키도록 구비된 엔진클러치와;
    상기 변속기의 입력축에 연결된 제2모터제너레이터와;
    상기 변속기의 입력축과 출력축 사이에 설치된 보조클러치;
    를 포함하고,
    상기 제2모터제너레이터에는 동력 인출용 PTO부재가 연결되고;
    상기 엔진냉각팬과, 제1모터제너레이터와, 엔진과, 엔진클러치와, 변속기와, 상기 제2모터제너레이터 및 상기 PTO부재는 차례로 배치되며;
    상기 제1모터제너레이터와 제2모터제너레이터는 인버터를 통해 충방전장치에 연결된 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 파워트레인.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1모터제너레이터는 상기 냉각팬과 엔진의 사이의 상기 엔진 외부에 설치되고;
    상기 제2모터제너레이터는 상기 변속기의 변속기케이스 외부에 설치된 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 파워트레인.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 변속기는 자동화수동변속기로 구성되며;
    상기 보조클러치는 상기 변속기의 변속기케이스 외부에 설치된 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 파워트레인.
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