KR101550629B1 - 하이브리드 자동차의 동력전달장치 - Google Patents

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서강수
황동환
국재창
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Abstract

하이브리드 자동차의 동력전달장치가 개시된다. 본 발명의 하나의 실시 예에 따른 하이브리드 자동차의 동력전달장치는 엔진의 동력이 입력되는 입력축; 상기 입력축과 소정의 간격을 두고 평행하게 배치되는 출력축; 상기 입력축 상에 배치되어 3개의 회전요소 중 제1 회전요소가 전기적인 구동력에 의하여 구동되고, 제2 회전요소가 출력요소로서 상기 출력축과 외접 기어 연결되고, 제3 회전요소가 엔진의 회전동력에 의하여 구동되는 유성기어세트; 상기 입력축 상에 배치되어 유성기어세트의 제1 회전요소와 직접 연결되는 제1 모터/제너레이터; 상기 입력축 상에 배치되어 상기 출력축과 선택적으로 외접 기어 연결되는 제2 모터/제너레이터; 상기 입력축과 선택적으로 연결됨과 동시에 상기 제2 모터/제너레이터와 직접 연결되는 제1 트랜스퍼 기어; 상기 입력축과 선택적으로 연결됨과 동시에 상기 제2 회전요소와 직접 연결되는 제2 트랜스퍼 기어; 상기 제1 트랜스퍼 기어를 상기 입력축 또는 출력축에 각각 선택적으로 연결하는 가변 연결수단; 및 상기 제2 유성기어세트의 3개의 회전요소 중, 2개의 회전요소를 선택적으로 연결하는 가변 직결수단을 포함한다.

Description

하이브리드 자동차의 동력전달장치{POWER TRANSMISSION SYSTEM OF HYBRID ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 하이브리드 자동차의 동력전달장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 엔진 동력을 분기함에 있어 기계적 동력전달경로의 비중을 높여 전기부하를 줄임으로써, 큰 엔진 동력을 사용할 수 있도록 하고, 발진시 엔진 모드를 대체하여 모드 변환 횟수를 줄이며, 모드 변환시 모든 회전요소의 회전수 변화가 최소가 되도록 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.
그리고 상기와 같은 하이브리드 자동차의 동력전달장치는 단일모드 방식과 다중모드 방식으로 분류된다.
상기 단일모드 방식은 변속제어를 위한 클러치 및 브레이크와 같은 토크전달기구가 필요하지 않다는 장점은 있으나, 고속 주행 시 효율이 저하되어 연비가 낮고 대형 자동차에 적용하기 위해서는 부가적인 토크 증배 장치가 필요하다는 단점이 있다.
상기 다중모드 방식은 고속 주행 시 효율이 높고, 자체적으로 토크 증배가 가능하도록 설계할 수 있어 중대형 자동차에 적용이 가능하다는 장점이 있다.
이에 따라 최근에는 단일모드 방식보다는 다중모드 방식을 주로 채택하고 있으며, 그에 따른 연구가 활발하게 진행되고 있다.
상기 다중모드 방식의 동력전달장치는 복수의 유성기어세트와, 모터 및 발전기로 사용되는 복수의 모터/제너레이터와, 상기 유성기어세트의 회전요소를 제어할 수 있는 복수의 토크전달기구(마찰요소)와, 상기 모터/제너레이터의 동력원으로 사용되는 배터리 등을 포함하여 이루어진다.
이러한 다중모드 방식의 동력전달장치는 상기의 유성기어세트, 모터/제너레이터, 토크전달기구의 연결 구성에 따라 상이한 작동 메커니즘을 갖는다.
또한, 상기 다중모드 방식의 동력전달장치는 그 연결 구성에 따라 내구성, 동력전달효율, 크기 등이 달라지는 특성이 있기 때문에 하이브리드 자동차의 동력전달장치 분야에서는 보다 견고하고, 동력손실이 없으며, 콤팩트한 동력전달장치를 구현하기 위한 연구 개발이 지속되고 있다.
본 발명의 실시 예는 엔진 동력을 분기함에 있어 기계적 동력전달경로의 비중을 높여 전기부하를 줄임으로써, 큰 엔진 동력을 사용할 수 있도록 하고, 발진시 엔진 모드를 대체하여 모드 변환 횟수를 줄이며, 모드 변환시 모든 회전요소의 회전수 변화가 최소가 되도록 한 하이브리드 자동차의 동력전달장치를 제공하고자 한다.
또한, 고속 주행시 연비 향상을 위하여 모터/제너레이터의 전기부하 없이 주행 가능한 엔진 모드를 제공할 수 있는 하이브리드 자동차의 동력전달장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시 예에서는 엔진의 동력이 입력되는 입력축; 상기 입력축과 소정의 간격을 두고 평행하게 배치되는 출력축; 상기 입력축 상에 배치되어 3개의 회전요소 중 제1 회전요소가 전기적인 구동력에 의하여 구동되고, 제2 회전요소가 출력요소로서 상기 출력축과 외접 기어 연결되고, 제3 회전요소가 엔진의 회전동력에 의하여 구동되는 유성기어세트; 상기 입력축 상에 배치되어 유성기어세트의 제1 회전요소와 직접 연결되는 제1 모터/제너레이터; 상기 입력축 상에 배치되어 상기 출력축과 선택적으로 외접 기어 연결되는 제2 모터/제너레이터; 상기 입력축과 선택적으로 연결됨과 동시에 상기 제2 모터/제너레이터와 직접 연결되는 제1 트랜스퍼 기어; 상기 입력축과 선택적으로 연결됨과 동시에 상기 제2 회전요소와 직접 연결되는 제2 트랜스퍼 기어; 상기 제1 트랜스퍼 기어를 상기 입력축 또는 출력축에 각각 선택적으로 연결하는 가변 연결수단; 및 상기 제2 유성기어세트의 3개의 회전요소 중, 2개의 회전요소를 선택적으로 연결하는 가변 직결수단을 포함하는 하이브리드 자동차의 동력전달장치를 제공할 수 있다.
또한, 상기 유성기어세트는 싱글 피니언 유성기어세트로서, 제1 회전요소가 선기어, 제2 회전요소가 유성캐리어, 제3 회전요소가 링기어로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 유성기어세트는 더블 피니언 유성기어세트로서, 제1 회전요소가 선기어, 제2 회전요소가 링기어, 제3 회전요소가 유성캐리어로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 제1 트랜스퍼 기어는 제2 트랜스퍼 기어 보다 감속된 상태로 출력축에 회전동력이 전달될 수 있도록 기어비가 형성될 수 있다.
또한, 상기 가변 연결수단은 제1 트랜스퍼 기어와 출력축 사이에 배치되는 제1 클러치; 입력축과 제1 트랜스퍼 기어 사이에 배치되는 제2 클러치를 포함할 수 있다.
또한, 상기 가변 직결수단은 입력축과 유성기어세트의 제2 회전요소 사이에 배치되는 제3 클러치로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 가변 직결수단은 유성기어세트의 제1 회전요소와 제2 회전요소 사이에 배치되는 제3 클러치로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 가변 직결수단은 유성기어세트의 제2 회전요소와 제3 회전요소 사이에 배치되는 제3 클러치로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 가변 연결수단을 형성하는 제1, 제2 클러치와, 상기 가변 직결수단을 형성하는 제3 클러치는 EV 모드 1ST에서 제1 클러치가 작동되고, HEV 모드 1ST에서 제1 클러치가 작동되며, HEV 모드 2ND에서 제2 클러치가 작동되고, 엔진 모드 1ST에서 제1 클러치와 제2 클러치가 작동되며, 엔진 모드 2ND에서 제3 클러치가 작동될 수 있다.
본 발명의 실시 예는 전체적인 구성에 있어서, 1개의 유성기어세트와, 3개의 마찰요소와, 2개의 모터/제너레이터의 조합으로 2개의 EV 모드와, 2개의 하이브리드 모드, 2개의 엔진 모드를 구현할 수 있다.
또한, 엔진 동력을 분기함에 있어서, 기계적인 동력전달경로의 비중을 높여 전기부하를 줄이고, 엔진의 최대 동력을 사용할 수 있다.
또한, 엔진 토크 대비 더 큰 토크를 출력축으로 전달하여 기계적인 동력전달경로의 비중을 높이고, 동일한 모터/제너레이터 사양에 대하여 더 큰 엔진의 동력을 활용할 수 있다.
또한, 하이브리드 모드에서 엔진 모드 보다 더 큰 가속력을 얻을 수 있기 때문에 발진시 엔진 모드로의 변환이 필요 없기 때문에 간단한 시스템을 구성할 수 있다.
또한, 모드 축소에 따른 마찰요소의 축소가 가능하여 효율을 더욱 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 동력전달장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 동력전달장치에 적용되는 마찰요소의 작동모드별 작동표이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 동력전달장치의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 동력전달장치의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제4 실시 예에 따른 동력전달장치의 구성도이다.
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 제1 실시 예에 따른 하이브리드 자동차의 동력전달장치에 대한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 하이브리드 자동차의 동력전달장치는 입력축(IS)을 통해 전달되는 엔진(ENG)의 회전동력을 차량의 주행상태에 따라 변속하여 출력기어(OG)를 통해 출력하게 된다.
상기 동력전달장치는 입력축(IS), 출력축(OS), 유성기어세트(PG), 제1,2 모터/제너레이터(MG1)(MG2), 제1, 제2 트랜스퍼 기어(TF1)(TF2), 제1,2,3 클러치(CL1)(CL2)(CL3)로 이루어지는 가변 직결수단 및 가변 연결수단을 포함하여 이루어진다.
상기 엔진(ENG)은 주동력원으로서, 기존의 화석 연료를 사용하는 가솔린 엔진 또는 디젤 엔진 등의 공지된 각종 엔진이 이용될 수 있다.
상기 입력축(IS)은 입력부재로서, 엔진(ENG)에서 발생된 회전동력을 변속기 측으로 전달하며, 상기 입력축(IS)은 댐퍼 및 클러치를 통해 엔진(ENG)의 출력축과 연결될 수 있으며, 상기 댐퍼 및 클러치의 개입 없이 직접 연결될 수 있다.
상기 출력축(OS)은 상기 입력축(IS)과 일정 간격을 두고 평행하게 배치되어 2개의 제1, 제2 트랜스퍼 기어(TF1)(TF2)를 통해 입력축(IS) 및 유성기어세트(PG)로부터 회전동력을 전달받아 일체로 형성된 출력기어(OG)를 통해 도시하지 않은 디프렌셜로 전달한다.
상기 유성기어세트(PG)는 싱글 피니언 유성기어세트와 더블 피니언 유성기어세트와 같은 단순 유성기어세트로 이루어지는데, 본 발명에서는 싱글 피니언 유성기어세트를 적용한 것으로 예시하고 있다.
상기 유성기어세트(PG)는 복수의 피니언(P)을 지지하는 유성캐리어(PC)와, 상기 피니언(P)에 외접 기어 연결되는 선기어(S)와, 상기 피니언(P)에 내접 기어 연결되는 링기어(R)로 이루어지는 3개의 회전요소를 포함하여 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 변속기 하우징(H)에 고정되는 제1 스테이터(ST1)와, 상기 제1 스테이터(ST1)의 반경부 내측에 위치하는 제1 로터(RT1)를 포함하여 이루어진다.
상기 제2 모터/제너레이터(MG2)는 변속기 하우징(H)에 고정되는 제2 스테이터(ST2)와, 상기 제2 스테이터(ST2)의 반경부 내측에 위치하는 제2 로터(RT2)를 포함하여 이루어진다.
상기 제1, 제2 트랜스퍼 기어(TF1)(TF2)는 각각 서로 외접하는 제1, 제2 트랜스퍼 드라이브 기어(TF1a)(TF2a)와, 제1, 제2 트랜스퍼 드리븐 기어(TF1b)(TF2b)를 포함하여 이루어진다.
그리고 상기 제1 트랜스퍼 기어(TF1)는 제2 트랜스퍼 기어(TF2) 보다 감속된 상태로 출력축(OS)에 회전동력이 전달될 수 있도록 기어비가 설정된다.
상기 제1, 제2, 제3 클러치(C1)(C2)(C3)는 회전체와 회전체를 선택적으로 연결하는 공지의 마찰요소로서, 유압에 의하여 마찰 결합되는 다판식 유압 마찰부재일 수 있다.
상기 제1, 제2 클러치(C1)(C2)는 가변 연결수단으로 적용되어 동력을 선택적으로 전달하는 역할을 수행하며, 상기 제3 클러치(C3)는 가변 직결수단으로 적용되어 유성기어세트(PG)의 3개의 회전요소 중 선택된 2개의 회전요소를 선택적으로 연결함으로써, 유성기어세트(PG)가 선택적으로 직결의 상태가 되도록 한다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 하이브리드 자동차의 동력전달장치를 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
상기 입력축(IS)상에는 유성기어세트(PG)와 제1, 제2 모터/제너레이터(MG1)(MG2)가 배치된다.
상기 유성기어세트(PG)는 제1 회전요소인 선기어(S)가 제1 모터/제너레이터(MG1)의 제1 로터(RT1)와 직접 연결되어 전기적인 구동력에 의하여 구동되며, 제2 회전요소인 유성캐리어(PC)가 출력요소로서 제2 트랜스퍼 기어(TF2)의 제2 트랜스퍼 드라이브 기어(TF2a)와 직접 연결되고, 제3 회전요소인 링기어(R)가 입력축(IS)과 직접 연결되어 엔진의 구동력이 입력된다.
이에 따라 하이브리드 모드시 엔진(ENG)의 구동력과 제1 모터/제너레이터(MG1)의 구동력이 상호 보완되면서 유성캐리어(PC)를 통해 출력이 이루어지게 된다.
상기 제2 모터/제너레이터(MG2)는 제2 로터(RT2)가 제1 트랜스퍼 기어(TF1)의 제1 트랜스퍼 드라이브 기어(TF1a)와 직접 연결되어 EV모드에서 제2 모터/제너레이터(MG2)의 구동력이 제1 트랜스퍼 드라이브 기어(TF1a)를 구동시키게 된다.
상기 제1 트랜스퍼 드라이브 기어(TF1)와 외접 기어 연결되는 제1 트랜스퍼 드리븐 기어(TF1b)는 출력축(OS)과 선택적으로 연결되며, 상기 제2 트랜스퍼 드라이브 기어(TF2)와 외접 기어 연결되는 제2 트랜스퍼 드라이브 기어(TF2)는 출력축(OS)과 직접 연결된다.
상기에서 제1 트랜스퍼 드리븐 기어(TF1b)가 출력축(OS)과 가변적으로 연결된다고 설명하고 있으나, 이에 한정되지 않고 출력축(OS)과 직접 연결되는 제2 트랜스퍼 드리븐 기어(TF2b)와 선택적으로 연결될 수 있다.
상기 제1 클러치(C1)는 상기 제1 트랜스퍼 드리븐 기어(TF1b)와 출력축(OS) 사이에 배치되어 제2 모터/제너레이터(MG2)와 출력축(OS)을 선택적으로 연결하며, 상기 제2 클러치(C2)는 입력축(IS)과 제1 트랜스퍼 드라이브 기어(TF1a) 사이에 배치되어 입력축(IS)의 회전 동력이 제1 트랜스퍼 드라이브 기어(TF1a)를 선택적으로 연결하면서 가변 연결수단으로서 역할을 수행한다.
상기 제3 클러치(C3)는 입력축(IS)과 유성캐리어(PC) 사이에 배치되어 입력축(IS)과 유성캐리어(PC)를 선택적으로 연결함으로써, 유성기어세트(PG)가 선택적으로 직결의 상태가 되도록 하는 가변 직결수단으로서의 역할을 수행한다.
또한, 도면에서는 제3 클러치(C3)가 입력축(IS)과 유성캐리어(PC) 사이에 배치되는 것으로 도시하고 있으나, 입력축(IS)과 직접 연결되는 링기어(R)와 유성캐리어(PC) 사이에 배치되는 것과 동일하다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 유성기어트레인에 적용되는 마찰요소의 작동 모드별 작동표이다.
도 2를 참조하여 작동모드별 마찰요소의 작동 상태를 살펴보면 다음과 같다.
EV 모드 1ST에서는 제1 클러치가 작동되고,
HEV 모드 1ST에서는 제1 클러치가 작동되며,
HEV 모드 2ND에서는 제2 클러치가 작동되고,
엔진 모드 1ST에서는 제1 클러치와 제2 클러치가 작동되며,
엔진 모드 2ND에서는 제3 클러치가 작동되면서 변속이 이루어진다.
상기와 같이 본 발명의 제1 실시 예에 따른 동력전달장치는 1개의 EV 모드와, 2개의 하이브리드 운전모드, 2개의 엔진 모드를 구현할 수 있다.
이하, 각 모드별 작동원리를 살펴보면 다음과 같다.
[EV 모드 1ST]
EV 모드 1ST에서는 엔진이 정지된 상태에서 배터리의 전원을 모터/제너레이터에 공급하여 모터/제너레이터의 동력으로 차량을 주행시키는 모드이다.
EV 모드 1ST는 엔진이 정지되어 있기 때문에 연비 향상에 큰 영향을 미치며, 별도의 후진 장치 없이도 후진 주행이 가능하다는 장점이 있고, 정지 후, 출발 및 저속 주행시 작동되며, 등판길에서의 밀림방지 또는 빠른 가속을 위하여 동력원이 출력축(OS) 보다 빠르게 회전하는 감속 변속비가 요구된다.
이러한 조건에서 EV 모드 1ST에서는 제1 클러치(C1)가 작동되면서 제2 모터/제너레이터(MG2)의 구동력이 출력축(OS)으로 전달되면서 차량의 주행이 이루어지며, 상기 제2 모터/제너레이터(MG2)의 회전 방향에 따라 전진 또는 후진 주행이 이루어진다.
[HEV 모드 1ST]
HEV 모드에서는 엔진의 동력이 기계적 경로와 전기적 경로를 통해 출력축(OS)으로 전달되며, 이러한 동력 분배는 유성기어세트에 의하여 이루어지고, 상기 유성기어세트에 연결된 엔진과 모터/제너레이터는 차속에 관계없이 회전속도를 임의로 조절할 수 있게 때문에 전자식 무단 변속기 역할을 수행한다.
따라서 기존 변속기가 주어진 차속에 대하여 엔진 속도와 토크가 고정되는데 반하여, 전자식 무단 변속기는 엔진 속도와 토크를 자유롭게 변경할 수 있기 때문에 엔진의 운전 효율을 극대화시킬 수 있으며, 연비 향상을 도모할 수 있다.
이러한 점을 감안하여 상기 EV 모드 1ST에서는 유성캐리어(PC)가 제2 트랜스퍼 드라이브 기어(TF2)에 의해 구속되어 있을 뿐, 선기어(S)와 링기어(R)는 회전이 자유롭다.
따라서 상기 제1 모터/제너레이터(MG1)를 이용하여 엔진(ENG)을 시동시킨 후, 차속과 관계없이 엔진(ENG) 및 제1 모터/제너레이터(MG1)의 속도를 제어할 수 있다.
이때 제1 모터/제너레이터(MG1)의 토크는 회전 방향에 관계없이 항상 시계 방향이기 때문에 엔진(ENG)과 제1 모터/제너레이터(MG1)의 토크의 합이 출력축(OS)으로 전달되어 높은 구동력을 발생시킬 수 있다.
[HEV 모드 2ND]
상기 HEV 모드 1ST에서는 출력축(OS)에 연결된 모터/제너레이터의 회전속도가 차속에 구속되어 있어 모터/제너레이터의 효율적인 운용이 어려울 뿐 만 아니라 용량을 줄이기도 어렵다.
특히, 차속이 높아서 차속에 구속된 모터/제너레이터의 회전속도가 높을 때에는 모터/제너레이터의 효율이 악화되기 때문에 최적의 연비를 구현할 수 없다.
따라서 제2 모터/제너레이터(MG2)를 차속의 구속으로부터 해방시키기 위하여 제1 클러치(C1)의 작동을 해제하고, 제2 클러치(C2)를 체결하여 엔진(ENG)과 연결한다.
그러면 유성기어세트(PG)의 유성캐리어(PC)만이 출력축(OS)과 연결되어 있기 때문에 엔진(ENG)과 제1 모터/제너레이터(MG1) 및 제2 모터/제너레이터(MG2)는 일정한 속도와 토크 관계식을 유지하면서 차속에 대해 자유롭게 운전점을 변경할 수 있다.
[엔진 모드 1ST]
하이브리드 자동차의 연비 향상을 위한 핵심 기술은 제동 에너지의 회수 및 재사용과 엔진 운전점의 자유로운 제어라고 할 수 있다.
그리고 엔진 운전점 제어에는 엔진의 기계적 에너지가 모터/제너레이터에서 전기적 에너지로 변환되는 과정과, 모터/제너레이터의 전기적 에너지가 모터/제너레이터에서 다시 기계적 에너지로 변환되는 두 번의 에너지 변환과정을 동반한다.
이러한 에너지 변환은 모든 에너지가 출력되지 않고 중간에 손실이 발생하며, 어떤 운전 조건에서는 하이브리드 운전모드보다 오히려 엔진만으로 구동되는 엔진 모드에서의 연비가 우수할 수 있다.
즉, 엔진 모드 1ST에서는 제1 클러치(C1)와 제2 클러치(C2)를 체결하면, 엔진(ENG)의 회전동력이 제1 트랜스퍼 기어(TF1)를 통해 출력축(OS)에 전달된다.
이때, 제1 모터/제너레이터(MG1) 및 제2 모터/제너레이터(MG2)의 동력이 필요하지 않기 때문에 엔진(ENG)의 구동력만으로 구동되며, 유성기어세트(PG)가 동력 전달경로에서 제외되기 때문에 높은 전달효율 특성을 나타낸다.
[엔진 모드 2ND]
엔진 모드 2ND에서는 제1, 제2 클러치(C1)(C2)의 작동을 해제하고, 제3 클러치(C3)를 작동 제어한다.
그러면 유성기어세트(PG)가 직결의 상태가 되면서 일체로 회전하게 되고, 엔진(ENG)의 회전동력이 제2 트랜스퍼 기어(TF2)를 통해 출력축(OS)으로 전달되며, 이때 제2 트랜스퍼 기어(TF2)의 기어비만큼 변속비가 성립된다.
이상에서와 같이 본 발명의 제1 실시 예에 의하면, 전체적인 구성에 있어서, 1개의 유성기어세트(PG)와, 3개의 마찰요소(C1)(C2)(C3)와, 2개의 모터/제너레이터(MG1)(MG2)의 조합으로 1개의 EV 모드와, 2개의 하이브리드 모드, 2개의 엔진 모드를 구현할 수 있다.
또한, 엔진 동력을 분기함에 있어서, 기계적인 동력전달경로의 비중을 높여 전기부하를 줄이고, 엔진의 최대 동력을 사용할 수 있다.
또한, 엔진 토크 대비 더 큰 토크를 출력축으로 전달하여 기계적인 동력전달경로의 비중을 높이고, 동일한 모터/제너레이터 사양에 대하여 더 큰 엔진의 동력을 활용할 수 있다.
또한, 하이브리드 모드에서 엔진 모드 보다 더 큰 가속력을 얻을 수 있기 때문에 발진시 엔진 모드로의 변환이 필요 없기 때문에 간단한 시스템을 구성할 수 있다.
또한, H모드 축소에 따른 마찰요소의 축소가 가능하여 효율을 더욱 높일 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 동력전달장치의 구성도이다.
도 3을 참조하면, 제1 실시 예에서는 유성기어세트(PG)를 싱글 피니언 유성기어세트로 구성하고 있으나, 제2 실시 예에서는 유성기어세트(PG)를 더블 피니언 유성기어세트로 구성한 것이다.
이러한 제2 실시 예의 경우, 상기 제1 실시 예와 비교하여 링기어(R)가 제2 회전요소로서 제2 트랜스퍼 기어(TF2)와 직접 연결되고, 유성 캐리어(PC)가 제3 회전요소로서 입력축(IS)과 직접 연결되는 구성만 다를 뿐 작용 효과가 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
도 4는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 동력전달장치의 구성도이다.
도 4를 참조하면, 제1 실시 예에서는 제3 클러치(C3)를 입력축(IS)과 유성캐리어(PC) 사이에 배치하고 있으나, 제2 실시 예에서는 제3 클러치(C3)를 선기어(S)와 유성캐리어(PC) 사이에 배치하였다.
이에 따라 상기 제1 실시 예와 비교하여 제3 클러치(C3)의 위치만 다를 뿐 작용 효과가 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
도 5는 본 발명의 제4 실시 예에 따른 동력전달장치의 구성도이다.
도 5를 참조하면, 제1 실시 예에서는 제3 클러치(C3)를 입력축(IS)과 유성캐리어(PC) 사이에 배치하고 있으나, 제3 실시 예에서는 제3 클러치(C3)를 유성캐리어(PC)와 링기어(R) 사이에 배치하였다.
이에 따라 상기 제1 실시 예와 비교하여 제3 클러치(C3)의 위치만 다를 뿐 작용 효과가 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
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.
C1,C2,C3 ... 제1, 제2, 제3 클러치
IS... 입력축
OG... 출력기어
OS... 출력축
MG1, MG2 ... 제1, 제2 모터/제너레이터
PG ... 유성기어세트
S... 선기어
PC... 유성캐리어
R... 링기어

Claims (33)

  1. 엔진의 동력이 입력되는 입력축;
    상기 입력축과 소정의 간격을 두고 평행하게 배치되는 출력축;
    상기 입력축 상에 배치되어 3개의 회전요소 중 제1 회전요소가 전기적인 구동력에 의하여 구동되고, 제2 회전요소가 출력요소로서 상기 출력축과 외접 기어 연결되고, 제3 회전요소가 엔진의 회전동력에 의하여 구동되는 유성기어세트;
    상기 입력축 상에 배치되어 유성기어세트의 제1 회전요소와 직접 연결되는 제1 모터/제너레이터;
    상기 입력축 상에 배치되어 상기 출력축과 선택적으로 외접 기어 연결되는 제2 모터/제너레이터;
    상기 입력축과 선택적으로 연결됨과 동시에 상기 제2 모터/제너레이터와 직접 연결되는 제1 트랜스퍼 기어;
    상기 입력축과 선택적으로 연결됨과 동시에 상기 제2 회전요소와 직접 연결되는 제2 트랜스퍼 기어;
    상기 제1 트랜스퍼 기어를 상기 입력축 또는 출력축에 각각 선택적으로 연결하는 가변 연결수단; 및
    상기 제2 유성기어세트의 3개의 회전요소 중, 2개의 회전요소를 선택적으로 연결하는 가변 직결수단;
    을 포함하는 하이브리드 자동차의 동력전달장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유성기어세트는
    싱글 피니언 유성기어세트로서, 제1 회전요소가 선기어, 제2 회전요소가 유성캐리어, 제3 회전요소가 링기어로 이루어지는 하이브리드 자동차의 동력전달장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유성기어세트는
    더블 피니언 유성기어세트로서, 제1 회전요소가 선기어, 제2 회전요소가 링기어, 제3 회전요소가 유성캐리어로 이루어지는 하이브리드 자동차의 동력전달장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 트랜스퍼 기어는
    제2 트랜스퍼 기어 보다 감속된 상태로 출력축에 회전동력이 전달될 수 있도록 기어비가 형성된 하이브리드 자동차의 동력전달장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가변 연결수단은
    제1 트랜스퍼 기어와 출력축 사이에 배치되는 제1 클러치;
    입력축과 제1 트랜스퍼 기어 사이에 배치되는 제2 클러치를 포함하는 하이브리드 자동차의 동력전달장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 가변 직결수단은
    입력축과 유성기어세트의 제2 회전요소 사이에 배치되는 제3 클러치로 이루어지는 하이브리드 자동차의 동력전달장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 가변 직결수단은
    유성기어세트의 제1 회전요소와 제2 회전요소 사이에 배치되는 제3 클러치로 이루어지는 하이브리드 자동차의 동력전달장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 가변 직결수단은
    유성기어세트의 제2 회전요소와 제3 회전요소 사이에 배치되는 제3 클러치로 이루어지는 하이브리드 자동차의 동력전달장치.
  9. 제1항 내지 제6항 중, 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 가변 연결수단을 형성하는 제1, 제2 클러치와, 상기 가변 직결수단을 형성하는 제3 클러치는
    EV 모드 1ST에서 제1 클러치가 작동되고,
    HEV 모드 1ST에서 제1 클러치가 작동되며,
    HEV 모드 2ND에서 제2 클러치가 작동되고,
    엔진 모드 1ST에서 제1 클러치와 제2 클러치가 작동되며,
    엔진 모드 2ND에서 제3 클러치가 작동되는 하이브리드 자동차의 동력전달장치.
  10. 엔진의 동력이 입력되는 입력축;
    상기 입력축과 소정의 간격을 두고 평행하게 배치되는 출력축;
    싱글 피니언 유성기어세트로서, 상기 입력축 상에 배치되어 선기어가 전기적인 구동력에 의하여 구동되고, 유성캐리어가 출력요소로서 상기 출력축과 외접 기어 연결되고, 링기어가 엔진의 회전동력에 의하여 구동되는 유성기어세트;
    상기 입력축 상에 배치되어 유성기어세트의 선기어와 직접 연결되는 제1 모터/제너레이터;
    상기 입력축 상에 배치되어 상기 출력축과 선택적으로 외접 기어 연결되는 제2 모터/제너레이터;
    상기 입력축과 선택적으로 연결됨과 동시에 상기 제2 모터/제너레이터와 직접 연결되는 제1 트랜스퍼 기어;
    상기 입력축과 선택적으로 연결됨과 동시에 상기 유성캐리어와 직접 연결되는 제2 트랜스퍼 기어;
    상기 제1 트랜스퍼 기어를 상기 입력축 또는 출력축에 각각 선택적으로 연결하는 가변 연결수단; 및
    상기 제2 유성기어세트의 3개의 회전요소 중, 2개의 회전요소를 선택적으로 연결하는 가변 직결수단;
    을 포함하는 하이브리드 자동차의 동력전달장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 트랜스퍼 기어는
    제2 트랜스퍼 기어 보다 감속된 상태로 출력축에 회전동력이 전달될 수 있도록 기어비가 형성된 하이브리드 자동차의 동력전달장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 가변 연결수단은
    제1 트랜스퍼 기어와 출력축 사이에 배치되는 제1 클러치;
    입력축과 제1 트랜스퍼 기어 사이에 배치되는 제2 클러치를 포함하는 하이브리드 자동차의 동력전달장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 가변 직결수단은
    입력축과 유성기어세트의 유성캐리어 사이에 배치되는 제3 클러치로 이루어지는 하이브리드 자동차의 동력전달장치.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 가변 직결수단은
    유성기어세트의 선기어와 유성캐리어 사이에 배치되는 제3 클러치로 이루어지는 하이브리드 자동차의 동력전달장치.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 가변 직결수단은
    유성기어세트의 유성캐리어와 링기어 사이에 배치되는 제3 클러치로 이루어지는 하이브리드 자동차의 동력전달장치.
  16. 제10항 내지 제15항 중, 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 가변 연결수단을 형성하는 제1, 제2 클러치와, 상기 가변 직결수단을 형성하는 제3 클러치는
    EV 모드 1ST에서 제1 클러치가 작동되고,
    HEV 모드 1ST에서 제1 클러치가 작동되며,
    HEV 모드 2ND에서 제2 클러치가 작동되고,
    엔진 모드 1ST에서 제1 클러치와 제2 클러치가 작동되며,
    엔진 모드 2ND에서 제3 클러치가 작동되는 하이브리드 자동차의 동력전달장치.
  17. 엔진의 동력이 입력되는 입력축;
    상기 입력축과 소정의 간격을 두고 평행하게 배치되는 출력축;
    더블 피니언 유성기어세트로서, 상기 입력축 상에 배치되어 선기어가 전기적인 구동력에 의하여 구동되고, 링기어가 출력요소로서 상기 출력축과 외접 기어 연결되고, 유성캐리어가 엔진의 회전동력에 의하여 구동되는 유성기어세트;
    상기 입력축 상에 배치되어 유성기어세트의 선기어와 직접 연결되는 제1 모터/제너레이터;
    상기 입력축 상에 배치되어 상기 출력축과 선택적으로 외접 기어 연결되는 제2 모터/제너레이터;
    상기 입력축과 선택적으로 연결됨과 동시에 상기 제2 모터/제너레이터와 직접 연결되는 제1 트랜스퍼 기어;
    상기 입력축과 선택적으로 연결됨과 동시에 상기 링기어와 직접 연결되는 제2 트랜스퍼 기어;
    상기 제1 트랜스퍼 기어를 상기 입력축 또는 출력축에 각각 선택적으로 연결하는 가변 연결수단; 및
    상기 제2 유성기어세트의 3개의 회전요소 중, 2개의 회전요소를 선택적으로 연결하는 가변 직결수단;
    을 포함하는 하이브리드 자동차의 동력전달장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1 트랜스퍼 기어는
    제2 트랜스퍼 기어 보다 감속된 상태로 출력축에 회전동력이 전달될 수 있도록 기어비가 형성된 하이브리드 자동차의 동력전달장치.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 가변 연결수단은
    제1 트랜스퍼 기어와 출력축 사이에 배치되는 제1 클러치;
    입력축과 제1 트랜스퍼 기어 사이에 배치되는 제2 클러치를 포함하는 하이브리드 자동차의 동력전달장치.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 가변 직결수단은
    입력축과 유성기어세트의 유성캐리어 사이에 배치되는 제3 클러치로 이루어지는 하이브리드 자동차의 동력전달장치.
  21. 제17항 내지 제20항 중, 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 가변 연결수단을 형성하는 제1, 제2 클러치와, 상기 가변 직결수단을 형성하는 제3 클러치는
    EV 모드 1ST에서 제1 클러치가 작동되고,
    HEV 모드 1ST에서 제1 클러치가 작동되며,
    HEV 모드 2ND에서 제2 클러치가 작동되고,
    엔진 모드 1ST에서 제1 클러치와 제2 클러치가 작동되며,
    엔진 모드 2ND에서 제3 클러치가 작동되는 하이브리드 자동차의 동력전달장치.
  22. 엔진의 동력이 입력되는 입력축;
    상기 입력축과 소정의 간격을 두고 평행하게 배치되는 출력축;
    싱글 피니언 유성기어세트로서, 상기 입력축 상에 배치되어 선기어가 전기적인 구동력에 의하여 구동되고, 유성캐리어가 출력요소로서 상기 출력축과 외접 기어 연결되고, 링기어가 엔진의 회전동력에 의하여 구동되는 유성기어세트;
    상기 입력축 상에 배치되어 유성기어세트의 선기어와 직접 연결되는 제1 모터/제너레이터;
    상기 입력축 상에 배치되어 상기 출력축과 선택적으로 외접 기어 연결되는 제2 모터/제너레이터;
    상기 입력축과 선택적으로 연결됨과 동시에 상기 제2 모터/제너레이터와 직접 연결되는 제1 트랜스퍼 기어;
    상기 입력축과 선택적으로 연결됨과 동시에 상기 유성캐리어와 직접 연결되는 제2 트랜스퍼 기어;
    상기 제1 트랜스퍼 기어와 출력축 사이에 배치되는 제1 클러치;
    상기 입력축과 제1 트랜스퍼 기어 사이에 배치되는 제2 클러치;
    상기 입력축과 유성기어세트의 유성캐리어 사이에 배치되는 제3 클러치;
    을 포함하는 하이브리드 자동차의 동력전달장치.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 제1 트랜스퍼 기어는
    제2 트랜스퍼 기어 보다 감속된 상태로 출력축에 회전동력이 전달될 수 있도록 기어비가 형성된 하이브리드 자동차의 동력전달장치.
  24. 제22항에 있어서,
    상기 제1, 제2, 제3 클러치는
    EV 모드 1ST에서 제1 클러치가 작동되고,
    HEV 모드 1ST에서 제1 클러치가 작동되며,
    HEV 모드 2ND에서 제2 클러치가 작동되고,
    엔진 모드 1ST에서 제1 클러치와 제2 클러치가 작동되며,
    엔진 모드 2ND에서 제3 클러치가 작동되는 하이브리드 자동차의 동력전달장치.
  25. 엔진의 동력이 입력되는 입력축;
    상기 입력축과 소정의 간격을 두고 평행하게 배치되는 출력축;
    더블 피니언 유성기어세트로서, 상기 입력축 상에 배치되어 선기어가 전기적인 구동력에 의하여 구동되고, 링기어가 출력요소로서 상기 출력축과 외접 기어 연결되고, 유성캐리어가 엔진의 회전동력에 의하여 구동되는 유성기어세트;
    상기 입력축 상에 배치되어 유성기어세트의 선기어와 직접 연결되는 제1 모터/제너레이터;
    상기 입력축 상에 배치되어 상기 출력축과 선택적으로 외접 기어 연결되는 제2 모터/제너레이터;
    상기 입력축과 선택적으로 연결됨과 동시에 상기 제2 모터/제너레이터와 직접 연결되는 제1 트랜스퍼 기어;
    상기 입력축과 선택적으로 연결됨과 동시에 상기 링기어와 직접 연결되는 제2 트랜스퍼 기어;
    상기 제1 트랜스퍼 기어와 출력축 사이에 배치되는 제1 클러치;
    상기 입력축과 제1 트랜스퍼 기어 사이에 배치되는 제2 클러치;
    상기 입력축과 유성기어세트의 링기어 사이에 배치되는 제3 클러치;
    을 포함하는 하이브리드 자동차의 동력전달장치.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 제1 트랜스퍼 기어는
    제2 트랜스퍼 기어 보다 감속된 상태로 출력축에 회전동력이 전달될 수 있도록 기어비가 형성된 하이브리드 자동차의 동력전달장치.
  27. 제25항에 있어서,
    상기 제1, 제2, 제3 클러치는
    EV 모드 1ST에서 제1 클러치가 작동되고,
    HEV 모드 1ST에서 제1 클러치가 작동되며,
    HEV 모드 2ND에서 제2 클러치가 작동되고,
    엔진 모드 1ST에서 제1 클러치와 제2 클러치가 작동되며,
    엔진 모드 2ND에서 제3 클러치가 작동되는 하이브리드 자동차의 동력전달장치.
  28. 엔진의 동력이 입력되는 입력축;
    상기 입력축과 소정의 간격을 두고 평행하게 배치되는 출력축;
    싱글 피니언 유성기어세트로서, 상기 입력축 상에 배치되어 선기어가 전기적인 구동력에 의하여 구동되고, 유성캐리어가 출력요소로서 상기 출력축과 외접 기어 연결되고, 링기어가 엔진의 회전동력에 의하여 구동되는 유성기어세트;
    상기 입력축 상에 배치되어 유성기어세트의 선기어와 직접 연결되는 제1 모터/제너레이터;
    상기 입력축 상에 배치되어 상기 출력축과 선택적으로 외접 기어 연결되는 제2 모터/제너레이터;
    상기 입력축과 선택적으로 연결됨과 동시에 상기 제2 모터/제너레이터와 직접 연결되는 제1 트랜스퍼 기어;
    상기 입력축과 선택적으로 연결됨과 동시에 상기 유성캐리어와 직접 연결되는 제2 트랜스퍼 기어;
    상기 제1 트랜스퍼 기어와 출력축 사이에 배치되는 제1 클러치;
    상기 입력축과 제1 트랜스퍼 기어 사이에 배치되는 제2 클러치;
    상기 유성기어세트의 선기어와 유성캐리어 사이에 배치되는 제3 클러치;
    을 포함하는 하이브리드 자동차의 동력전달장치.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 제1 트랜스퍼 기어는
    제2 트랜스퍼 기어 보다 감속된 상태로 출력축에 회전동력이 전달될 수 있도록 기어비가 형성된 하이브리드 자동차의 동력전달장치.
  30. 제28항에 있어서,
    상기 제1, 제2, 제3 클러치는
    EV 모드 1ST에서 제1 클러치가 작동되고,
    HEV 모드 1ST에서 제1 클러치가 작동되며,
    HEV 모드 2ND에서 제2 클러치가 작동되고,
    엔진 모드 1ST에서 제1 클러치와 제2 클러치가 작동되며,
    엔진 모드 2ND에서 제3 클러치가 작동되는 하이브리드 자동차의 동력전달장치.
  31. 엔진의 동력이 입력되는 입력축;
    상기 입력축과 소정의 간격을 두고 평행하게 배치되는 출력축;
    싱글 피니언 유성기어세트로서, 상기 입력축 상에 배치되어 선기어가 전기적인 구동력에 의하여 구동되고, 유성캐리어가 출력요소로서 상기 출력축과 외접 기어 연결되고, 링기어가 엔진의 회전동력에 의하여 구동되는 유성기어세트;
    상기 입력축 상에 배치되어 유성기어세트의 선기어와 직접 연결되는 제1 모터/제너레이터;
    상기 입력축 상에 배치되어 상기 출력축과 선택적으로 외접 기어 연결되는 제2 모터/제너레이터;
    상기 입력축과 선택적으로 연결됨과 동시에 상기 제2 모터/제너레이터와 직접 연결되는 제1 트랜스퍼 기어;
    상기 입력축과 선택적으로 연결됨과 동시에 상기 유성캐리어와 직접 연결되는 제2 트랜스퍼 기어;
    상기 제1 트랜스퍼 기어와 출력축 사이에 배치되는 제1 클러치;
    상기 입력축과 제1 트랜스퍼 기어 사이에 배치되는 제2 클러치;
    상기 유성기어세트의 유성캐리어와 링기어 사이에 배치되는 제3 클러치;
    을 포함하는 하이브리드 자동차의 동력전달장치.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 제1 트랜스퍼 기어는
    제2 트랜스퍼 기어 보다 감속된 상태로 출력축에 회전동력이 전달될 수 있도록 기어비가 형성된 하이브리드 자동차의 동력전달장치.
  33. 제31항에 있어서,
    상기 제1, 제2, 제3 클러치는
    EV 모드 1ST에서 제1 클러치가 작동되고,
    HEV 모드 1ST에서 제1 클러치가 작동되며,
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    엔진 모드 2ND에서 제3 클러치가 작동되는 하이브리드 자동차의 동력전달장치.
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