KR101500381B1 - 하이브리드 자동차의 동력전달장치 - Google Patents

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Abstract

하이브리드 자동차의 동력전달장치가 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 자동차의 동력전달장치는 동력원인 엔진; 상기 엔진의 출력축과 직접 연결되는 제1 로터와, 제1 모터 하우징에 선택적으로 연결되어 선택적인 회전자로 작동하는 제1 스테이터를 포함하는 제1 모터/제너레이터; 상기 제1 스테이터와 선택적으로 연결되는 제2 로터와, 제2 모터 하우징에 직접 연결되는 제2 스테이터를 포함하는 제2 모터/제너레이터; 상기 제2 모터/제너레이터의 제2 로터로부터 동력을 전달받아 구동륜으로 전달하는 종감속기어 세트; 상기 제1, 제2 모터/제너레이터에 전원을 공급하거나 상기 제1, 제2 모터/제너레이터에 의하여 충전이 이루어지는 배터리; 상기 제1, 제2 모터/제너레이터의 선택적 연결부에 배치되는 2개의 마찰부재를 포함한다.

Description

하이브리드 자동차의 동력전달장치{POWER TRANSMISSION SYSTEM OF HYBRID ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 하이브리드 자동차의 동력전달장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 2개의 모터와 2개의 마찰부재를 활용해 엔진 시동, 변속기, 동력 전달 기능을 수행할 수 있도록 한 하이브리드 자동차의 동력전달장치에 관한 것이다.
자동차의 친환경 기술은 미래 자동차 산업의 생존이 달린 핵심기술로서, 선진 자동차 메이커들은 환경 및 연비 규제를 달성하기 위한 친환경 자동차 개발에 총력을 기울이고 있다.
이에 따라 각 자동차 메이커들은 전기 자동차(EV : Electric Vehicle), 하이브리드 전기 자동차(HEV : Hybrid Electric Vehicle), 연료전지 자동차(FCEV : Fuel Cell Electric Vehicle)등을 미래형 자동차 기술로서 개발하고 있다.
상기와 같은 미래형 자동차는 중량 및 원가 등 여러 가지 기술적인 제약이 있기 때문에 자동차 메이커에서는 배기가스 규제를 만족시키고, 연비 성능의 향상을 위한 현실적인 문제의 대안으로서 하이브리드 자동차에 주목하고 있으며, 이를 실용화하기 위해 치열한 경쟁을 벌이고 있다.
하이브리드 자동차는 2개 이상의 에너지원(Power Source)을 사용하는 자동차로서, 여러 가지 방식으로 조합될 수 있으며, 에너지원으로는 기존의 화석 연료를 사용하는 가솔린 엔진 또는 디젤 엔진과 전기 에너지에 의하여 구동되는 모터/제너레이터가 혼합되어 사용된다.
이러한 하이브리드 자동차는 저속에서 상대적으로 저속토크 특성이 좋은 모터/제너레이터를 주동력원으로 사용하고, 고속에서는 상대적으로 고속토크 특성이 좋은 엔진을 주동력원으로 사용한다.
이에 따라 하이브리드 자동차는 저속구간에서 화석 연료를 사용하는 엔진의 작동이 정지되고 모터/제너레이터를 사용하기 때문에 연비 개선과 배기가스의 저감에 우수한 효과가 있다.
이러한 하이브리드 자동차의 동력전달장치는 연결 구성에 따라 내구성, 동력전달효율, 크기 등이 달라지는 특성이 있기 때문에 보다 견고하고, 동력손실이 없으며, 콤팩트한 동력전달장치를 구현하기 위한 연구 개발이 지속되고 있다.
본 발명의 실시 예는 2개의 모터와 2개의 마찰부재를 활용해 엔진 시동, 변속기, 동력 전달 기능을 수행할 수 있도록 한 하이브리드 자동차의 동력전달장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시 예에서는 동력원인 엔진; 상기 엔진의 출력축과 직접 연결되는 제1 로터와, 제1 모터 하우징에 선택적으로 연결되어 선택적인 회전자로 작동하는 제1 스테이터를 포함하는 제1 모터/제너레이터; 상기 제1 스테이터와 선택적으로 연결되는 제2 로터와, 제2 모터 하우징에 직접 연결되는 제2 스테이터를 포함하는 제2 모터/제너레이터; 상기 제2 모터/제너레이터의 제2 로터로부터 동력을 전달받아 구동륜으로 전달하는 종감속기어 세트; 상기 제1, 제2 모터/제너레이터에 전원을 공급하거나 상기 제1, 제2 모터/제너레이터에 의하여 충전이 이루어지는 배터리; 상기 제1, 제2 모터/제너레이터의 선택적 연결부에 배치되는 2개의 마찰부재를 포함하여 이루어지는 하이브리드 자동차의 동력전달장치를 제공할 수 있다.
또한, 상기 2개의 마찰부재는 상기 제1 스테이터와 제1 모터 하우징 사이에 배치되는 브레이크; 상기 제1 스테이터와 제2 로터 사이에 배치되는 클러치를 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 브레이크는 EV 주행 중 엔진 시동과, 엔진 시동 후 직렬 동력전달경로로 동력 전달이 이루어질 때 작동하고, 상기 클러치는 HEV 주행모드에서 작동할 수 있다.
본 발명의 실시 예는 브레이크를 체결한 상태에서 제2 모터/제너레이터를 이용하여 EV 주행모드의 운전이 가능하고, 이 상태에서 엔진의 시동할 경우에는 배터리에 저장된 에너지를 활용하여 제1 모터/제너레이터의 제1 로터를 구동시킬 수 있다.
또한, 엔진의 시동 후에는 엔진의 회전동력이 전기적인 경로를 통해 제2 모터/제너레이터를 구동시키게 되며, 이후 브레이크의 작동을 해제하고 제1 스테이터와 제2 로터의 회전속도가 거의 동일할 때에 클러치를 체결하여 엔진 동력이 제1 스테이터와 제2 로터를 통해 종감속기어 세트로 전달되면서 차량을 구동할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 동력전달장치의 구성도로서, EV 주행 모드에서의 동력 전달 경로를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 동력전달장치에 적용되는 마찰부재의 각 작동모드별 작동표이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 동력전달장치의 구성도로서, EV 주행 모드에서의 엔진 시동시 동력 전달 경로를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 동력전달장치의 구성도로서, 엔진 시동후 직렬 동력 전달 경로를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 동력전달장치의 구성도로서, HEV 주행 모드에서의 배터리 충전시 동력 전달 경로를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 동력전달장치의 구성도로서, HEV 주행 모드에서의 배터리 방전시 동력 전달 경로를 나타낸다.
이하, 본 발명의 실시 예들을 첨부한 도면을 통하여 상세하게 설명한다.
단, 본 발명의 실시 예를 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 적용하여 설명한다.
하기의 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성의 명칭이 동일하여 이를 구분하기 위한 것으로, 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 자동차의 동력전달장치에 대한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 자동차의 동력전달장치는 엔진(ENG), 제1 모터/제너레이터(MG1), 제2 모터/제너레이터(MG2), 종감속 기어 세트(FD), 2개의 마찰부재(BK)(CL), 배터리(B)를 포함하여 이루어진다.
상기에서 엔진(ENG)은 에너지원으로서, 기존의 화석 연료를 사용하는 가솔린 엔진 또는 디젤 엔진으로 이루어진다.
상기 제1 모터/제너레이터(MG1)와 제2 모터/제너레이터(MG2)는 각각 독립적인 동력원으로서, 모터와 제너레이터 기능을 갖는다.
상기 제1 모터/제너레이터(MG1)는 제1 로터(RT1)와 제1 스테이터(ST1)를 포함하여 이루어지며, 상기 제1 로터(RT1)는 엔진(ENG)의 출력축과 직접 연결되고, 상기 제1 스테이터(ST1)는 제1 모터 하우징(H)과 선택적으로 연결된다.
이에 따라 상기 제1 모터/제너레이터(MG1)의 제1 로터(RT1)와 제1 스테이터(ST1)는 모두 회전자로서 활용되며, 단 브레이크(BK)가 작동될 때에는 제1 스테이터(ST1)는 고정자 역할을 수행한다.
상기 제2 모터/제너레이터(MG2)는 제2 로터(RT2)와 제2 스테이터(ST2)를 포함하여 이루어지며, 상기 제2 로터(RT2)는 상기 제1 스테이터(ST1)와 선택적으로 연결됨과 동시에 종감속 기어(FD)와 직접 연결되고, 상기 제2 스테이터(ST2)는 제2 모터 하우징(H)과 직접 연결된다.
상기에서 제1, 제2 로터(RT1)(RT2)는 고온에서도 자력이 저하되지 않는 영구자석이 매립된 로투 코어로 구성되며, 상기 제1, 제2 스테이터(ST1)(ST2)는 집중권 방식의 스테이터와 자석 위치를 검출하는 로터 위치센서(레졸버)로 구성된다.
이에 따라 상기 제1, 제2 모터/제너레이터(MG1)(MG2)는 차량의 출발 또는 저속과 정속 구간에서 모터로만 차량을 운행하는 EV 주행모드에서 구동력을 발생하며, HEV 주행모드에서는 엔진 출력을 보조하는 역할을 수행하며, 감속시나 제동시에는 감속 에너지를 전기 에너지로 전환하는 제너레이터 역할을 수행한다.
상기 2개의 마찰부재는 1개의 브레이크(BK)와, 1개의 클러치(CL)를 포함하여 이루어지며, 상기 브레이크(BK)는 상기 제1 스테이터(ST1)와 제1 모터 하우징(H1) 사이에 배치되고, 상기 클러치(CL)는 상기 제1 로터(RT1)와 제2 로터(RT2) 사이에 배치된다.
상기에서 브레이크(BK)와 클러치(CL)로 이루어지는 마찰부재는 각 마찰요소는 유압에 의하여 마찰 결합되는 다판식 유압마찰결합유닛으로 이루어질 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 동력전달장치에 적용되는 마찰부재의 각 주행 모드별 작동표이고, 제3 내지 도 6은 각 주행 모드별 동력 전달 경로도이다.
차량의 출발 또는 저속과 정속 구간에서 모터로만 차량을 운행하는 EV 주행모드에서는 도 1 및 도 2에서와 같이, 마찰부재(BK)(CL)는 전혀 작동하지 않는다.
따라서 배터리(B)의 전원을 에너지원으로 한 제2 모터/제너레이터(MG2)의 구동력이 종감속기어 세트(FD)를 통해 구동륜(W)로 전달되어 EV 주행모드로서 주행한다.
상기와 같은 EV 주행모드 과정에서 엔진(ENG)을 시동하고자 할 때에는 EV 주행모드에서 도 2에서와 같이 브레이크(BK)를 작동시키면 도 3에서와 같은 동력 전달경로로 동력 전달이 이루어지면서 주행한다.
상기와 같이 엔진(ENG)을 시동시킨 후에는 도 4에서와 같이 엔진(ENG)의 회전 동력이 전기적인 경로를 통해 제2 모터/제너레이터(MG2)를 구동시키는 직렬형 동력전달경로로 이루어진다.
그리고 브레이크(BK)의 작동이 해제된 상태에서 제1 스테이터(ST1)와 제2 로터(RT2)의 회전 속도가 유사해지면 되고, 클러치(CL)를 작동 제어하여 엔진(ENG)의 회전 동력이 제1 스테이터(ST1)와 제2 로터(RT2)를 통해 종감속기어 세트(FD)로 공급되어 주행이 이루어지며, 이러한 주행 과정에서 배터리 충전시에는 도 5와 같은 동력전달경로로 동력 전달이 이루어지며, 배터리 방전시에는 도 6과 같은 동력전달 경로로 동력 전달이 이루어진다.
상기에서와 같이 본 발명의 실시예에 따른 동력전달장치는 브레이크(BK)를 체결한 상태에서 제2 모터/제너레이터(MG2)를 이용하여 EV 주행모드의 운전이 가능하고, 이 상태에서 엔진(ENG)의 시동할 경우에는 배터리(B)에 저장된 에너지를 활용하여 제1 모터/제너레이터(MG1)의 제1 로터(RT1)를 구동시키면 된다.
또한, 엔진(ENG)의 시동 후에는 엔진(ENG)의 회전동력이 전기적인 경로를 통해 제2 모터/제너레이터(MG2)를 구동시키게 되며, 이후 브레이크(BK)의 작동을 해제하고 제1 스테이터(ST1)와 제2 로터(RT2)의 회전속도가 거의 동일할 때에 클러치(CL)를 체결하여 엔진 동력이 제1 스테이터(ST1)와 제2 로터(RT2)를 통해 종감속기어 세트(FD)로 전달되면서 차량을 구동시킬 수 있다.
이상으로 본 발명의 바람직한 실시 예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시 예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
ENG ... 엔진
BK... 브레이크
CL... 클러치
FD... 종감속기어 세트
MG1, MG2 ... 제1, 제2 모터/제너레이터

Claims (3)

  1. 동력원인 엔진;
    상기 엔진의 출력축과 직접 연결되는 제1 로터와, 제1 모터 하우징에 선택적으로 연결되어 선택적인 회전자로 작동하는 제1 스테이터를 포함하는 제1 모터/제너레이터;
    상기 제1 스테이터와 선택적으로 연결되는 제2 로터와, 제2 모터 하우징에 직접 연결되는 제2 스테이터를 포함하는 제2 모터/제너레이터;
    상기 제2 모터/제너레이터의 제2 로터로부터 동력을 전달받아 구동륜으로 전달하는 종감속기어 세트;
    상기 제1, 제2 모터/제너레이터에 전원을 공급하거나 상기 제1, 제2 모터/제너레이터에 의하여 충전이 이루어지는 배터리;
    상기 제1, 제2 모터/제너레이터의 선택적 연결부에 배치되는 2개의 마찰부재;
    를 포함하여 이루어지는 하이브리드 자동차의 동력전달장치.
  2. 제1항에 있어서,
    2개의 마찰부재는
    상기 제1 스테이터와 제1 모터 하우징 사이에 배치되는 브레이크;
    상기 제1 스테이터와 제2 로터 사이에 배치되는 클러치;
    를 포함하여 이루어지는 하이브리드 자동차의 동력전달장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 브레이크는 EV 주행 중 엔진 시동과, 엔진 시동 후 직렬 동력전달경로로 동력 전달이 이루어질 때 작동하고, 상기 클러치는 HEV 주행모드에서 작동하는 하이브리드 자동차의 동력전달장치.
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