KR101558351B1 - 하이브리드 차량용 변속장치 - Google Patents

하이브리드 차량용 변속장치 Download PDF

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Abstract

하이브리드 차량용 변속장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 차량용 변속장치는 엔진의 출력 측과 연결되는 입력축; 모터와 제너레이터 기능을 가지며, 변속기 하우징에 구성되는 제1모터/제너레이터; 모터와 제너레이터 기능을 가지며, 출력기어와 직접 연결되어 변속기 하우징에 구성되는 제2모터/제너레이터; 상기 입력축 상에 배치되며, 3개의 회전요소 중, 제1회전요소가 상기 제1모터/제너레이터와 직접 연결됨과 동시에 상기 입력축에 선택적으로 연결되고, 제2회전요소가 상기 입력축과 직접 연결되며, 제3회전요소가 상기 출력기어와 연결되는 유성기어세트; 상기 유성기어세트의 제1회전요소와 입력축 사이에 구성되어 상기 제1회전요소와 입력축을 선택적으로 연결하는 제1클러치를 포함한다.

Description

하이브리드 차량용 변속장치{TRANSMISSION SYSTEM OF HYBRID ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 하이브리드 차량용 변속장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 EV모드, 연속모드, 동력분기모드, 직결 구동의 병렬모드 및 회생제동모드를 구현하는 하이브리드 차량용 변속장치에 관한 것이다.
일반적으로 하이브리드 차량은 서로 다른 두 종류 이상의 동력원을 효율적으로 조합하여 구동하는 차량이다.
이러한 하이브리드 차량은 통상적으로 엔진과 모터/제너레이터를 사용하는데, 저속에서는 상대적으로 저속토크특성이 좋은 모터/제너레이터를 주 동력원으로 사용하고, 고속에서는 상대적으로 고속토크특성이 좋은 엔진을 주 동력원으로 사용한다.
이에 따라 하이브리드 차량은 저속구간에서 화석 연료를 사용하는 엔진의 작동이 정지되고 모터/제너레이터를 사용하기 때문에 연비 개선과 배기가스의 저감에 우수한 효과가 있다.
그리고 상기와 같은 하이브리드 차량용 변속장치는 단일모드 방식과 다중모드 방식으로 분류된다.
상기 단일모드 방식은 변속제어를 위한 클러치 및 브레이크와 같은 연결수단이 필요하지 않다는 장점은 있으나, 고속 주행 시, 효율이 저하되어 연비가 낮고 대형 차량에 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 차량에 적용이 가능하다는 장점이 있다.
이에 따라 최근에는 단일모드 방식보다는 다중모드 방식을 주로 채택하고 있으며, 그에 따른 연구가 활발하게 진행되고 있다.
상기 다중모드 방식의 변속장치는 유성기어세트, 모터 및 발전기로 사용되는 복수의 모터/제너레이터, 상기 유성기어세트의 회전요소를 제어할 수 있는 연결수단, 및 상기 모터/제너레이터의 동력원으로 사용되는 배터리 등을 포함하여 이루어진다.
이러한 다중모드 방식의 변속장치는 상기의 유성기어세트, 모터/제너레이터, 및 연결수단의 연결 구성에 따라 상이한 작동 메커니즘을 갖는다.
또한, 상기 다중모드 방식의 변속장치는 그 연결 구성에 따라 내구성, 동력전달효율, 크기 등이 달라지는 특성이 있기 때문에 하이브리드 차량용 변속장치 분야에서는 보다 견고하고, 동력손실이 적으며, 콤팩트한 동력전달 메카니즘을 구현하기 위한 연구 개발이 지속되고 있다.
여기서, 상기 다중모드에는 연속모드, 병렬모드, 동력분기모드, 및 EV모드 등이 있는데, 상기 연속모드(Series Mode)는 엔진의 동력을 기계적인 연결 없이 전기적으로 구동축에 전달하는 모드로, 엔진의 속도를 자유롭게 결정할 수 있다.
예로, 엔진 - 발전용 모터제너레이터 / 구동용 모터제너레이터 - 구동축의 연결을 통하여, 엔진과 기계적으로 연결된 발전용 모터제너레이터가 엔진의 구동력으로 발전하여 전기로 변환하고, 변환된 전기를 구동용 모터제너레이터에서 에너지원으로 사용하는 연속된 동력 흐름을 갖는다.
그리고 병렬모드(Parallel Mode)는 엔진과 모터제너레이터의 동력이 동시에 기계적으로 구동축에 전달되는 모드로, 엔진의 속도는 차량의 속도와 기어비에 따라 결정된다.
또한, 동력분기모드(Powersplit Mode)는 엔진의 동력이 일부는 기계적으로, 일부는 전기적으로 구동축에 전달되는 모드로, 엔진의 속도를 자유롭게 결정할 수 있다.
예로, 엔진 - 유성기어세트- 발전용 모터제너레이터- 구동용 모터제너레이터- 구동축의 연결관계를 가지며, 유성기어세트의 유성캐리어가 엔진에, 선기어가 발전용 모터제너레이터에, 링기어가 구동용 모터제너레이터 및 구동축에 연결되어 엔진의 속도를 발전용 모터제너레이터로 제어하고, 엔진 동력의 일부는 유성기어세트를 통해 기계적으로 전달되고, 일부는 발전용 모터제너레이터에서 전기 전환되어 구동용 모터제너레이터에 에너지원으로 전달된다.
또한, EV모드(EV Mode)는 엔진의 동력을 사용치 않고, 오직 전기적인 동력만을 이용해 구동하는 모드이다.
본 발명의 실시 예는 2개의 클러치를 사용하여 EV모드 및 저속주행 효율이 좋은 동력분기모드와 고속주행 효율이 좋은 병렬모드 및 플러그인 하이브리드 전기 자동차에 유효한 연속모드의 구현 등, 폭 넓게 엔진의 동력을 이용함으로써, 연비 향상을 극대화할 수 있도록 한 하이브리드 차량용 변속장치를 제공하고자 한다.
또한, 동력분기모드의 구현으로 발전용 모터/제너레이터의 용량을 줄일 수 있도록 함으로써 생산원가를 절감할 수 있는 하이브리드 차량의 동력전달장치를 제공하고자 한다.
또한, 하나의 클러치를 사용하여 저속주행 및 고속주행 효율은 유지하면서도 전장을 짧게 할 수 있도록 한 하이브리드 차량용 변속장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시 예에서는 엔진의 출력 측과 연결되는 입력축; 모터와 제너레이터 기능을 가지며, 변속기 하우징에 구성되는 제1모터/제너레이터; 모터와 제너레이터 기능을 가지며, 출력기어와 직접 연결되어 변속기 하우징에 구성되는 제2모터/제너레이터; 상기 입력축 상에 배치되며, 3개의 회전요소 중, 제1회전요소가 상기 제1모터/제너레이터와 직접 연결됨과 동시에 상기 입력축에 선택적으로 연결되고, 제2회전요소가 상기 입력축과 직접 연결되며, 제3회전요소가 상기 출력기어와 연결되는 유성기어세트; 상기 유성기어세트의 제1회전요소와 입력축 사이에 구성되어 상기 제1회전요소와 입력축을 선택적으로 연결하는 제1클러치를 포함하는 하이브리드 차량용 변속장치를 제공할 수 있다.
또한, 상기 제3회전요소와 상기 출력기어 사이에 구성되어 상기 제3회전요소와 상기 출력기어를 선택적으로 연결하는 제2클러치를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 유성기어세트는 싱글 피니언 유성기어세트로서, 제1회전요소가 선기어, 제2회전요소가 유성캐리어, 제3회전요소가 링기어로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 제1클러치는 엔진의 시동, 연속모드 및 병렬모드에서 작동될 수 있다.
또한, 상기 제2클러치는 동력분기모드에서 작동되며, 병렬모드에서는 상기 제1클러치와 함께 작동될 수 있다.
또한, 상기 입력축과 평행하게 배치된 중간축 상에 구성되어 상기 출력기어와 디프렌셜의 종감속기어 사이에서 상기 출력기어로부터 전달되는 회전동력을 디프렌셜에 감속 전달하는 감속기어수단을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 감속기어수단은 상기 입력축과 디프렌셜 사이에서 상기 입력축에 평행하게 배치된 중간축; 상기 중간축 상에 구성되어 상기 출력기어와 외접 기어 연결되는 중간기어; 상기 중간축 상에 구성되어 상기 디프렌셜의 종감속기어와 외접 기어 연결되는 구동기어를 포함할 수 있다.
또한, 상기 엔진의 출력축과 입력축 사이에는 토션 댐퍼가 배치될 수 있다.
또한, 상기 제1모터/제너레이터는 발전용이고, 제2모터/제너레이터는 구동용일 수 있다.
본 발명의 실시 예는 2개의 클러치를 사용하여 EV모드 및 동력분기모드와 직결 구동의 병렬모드를 구현하여 저속주행 및 고속주행 효율의 향상은 물론, 중속에서 고속까지 폭 넓게 엔진의 동력을 이용함으로써, 전구간의 주행 효율을 높여 연비 향상을 극대화할 수 있다.
또한, 동력분기모드의 구현으로 발전을 위한 제1모터/제너레이터의 용량을 줄일 수 있도록 함으로써 생산원가를 절감할 수 있다.
또한, 제2모터/제너레이터의 동력을 차단하는 클러치를 삭제하여 동력분기모드와 병렬모드를 통한 저속주행 및 고속주행 효율은 유지하면서도 전체적인 변속장치의 전장은 짧게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 차량용 변속장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 차량용 변속장치에 적용되는 연결수단의 각 구동모드별 작동표이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 구동 하이브리드 차량용 변속장치의 EV모드에서의 동력전달 계통도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 구동 하이브리드 차량용 변속장치의 엔진 시동에서의 동력전달 계통도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 구동 하이브리드 차량용 변속장치의 연속모드에서의 동력전달 계통도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 구동 하이브리드 차량용 변속장치의 동력분기모드에서의 동력전달 계통도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 구동 하이브리드 차량용 변속장치의 병렬모드의 직결 구동에서의 동력전달 계통도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 구동 하이브리드 차량용 변속장치의 회생제동모드에서의 동력전달 계통도이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 통하여 상세하게 설명한다.
단, 본 발명의 실시 예들을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 적용하여 설명한다.
하기의 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2등으로 구분한 것은 그 구성의 명칭이 동일하여 이를 구분하기 위한 것으로, 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 차량용 변속장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 변속장치는 동력원인 엔진(ENG)과 제1,제2모터/제너레이터(MG1,MG2)의 동력을 차량의 주행상태에 따라 변속하여 출력기어(OG)를 통해 출력하게 된다.
이러한 변속장치는 입력축(IS), 유성기어세트(PG), 제1, 제2모터/제너레이터(MG1)(MG2), 제1, 제2클러치(CL1,CL2), 감속기어수단(CGU)을 포함한다.
상기 입력축(IS)은 동력원인 엔진(ENG)의 구동력을 전달받을 수 있도록 배치되며, 상기 엔진(ENG)의 출력축(OS)과 입력축(IS) 사이에는 토션 댐퍼(DP)가 구성된다.
상기 토션 댐퍼(DP)는 엔진(ENG)의 출력축(OS)과 입력축(IS) 사이에 발생되는 비틀림 진동을 감쇠 또는 저감시킨다.
상기 토션 댐퍼(DP)는 비틀림 충격을 흡수할 수 있는 고무 또는 비틀림 스프링 등으로 구성할 수 있으나, 어느 하나의 구성에 한정되는 것은 아니고, 엔진의 출력축(OS)과 입력축(IS) 사이에 발생되는 비틀림 진동을 흡수할 수 있으면 어느 것이라도 관계없다.
상기 유성기어세트(PG)는 싱글 피니언 유성기어세트로서, 선기어(S: 제1회전요소), 상기 선기어(S)와 외접으로 맞물리는 피니언(P)을 회전 지지하는 유성캐리어(PC: 제2회전요소), 상기 피니언(P)과 내접으로 맞물리는 링기어(R: 제3회전요소)를 회전요소로 포함한다.
상기 선기어(S: 제1회전요소)는 입력축(IS)과 선택적으로 연결되고, 상기 유성캐리어(PC: 제2회전요소)는 입력축(IS)과 직접 연결되며, 상기 링기어(R: 제3회전요소)는 출력기어(OG)와 선택적으로 연결됨과 동시에, 상기 제2모터/제너레이터(MG2)와도 선택적으로 연결된다.
상기 제1모터/제너레이터(MG1)는 독립적인 동력원으로서, 모터와 제너레이터 기능을 갖는데, 본 발명에서는 주로 발전기로 사용되며, 엔진의 시동 시에는 전동기로 사용된다.
또한, 상기 제1모터/제너레이터(MG1)는 제1로터(RT1)와 제1스테이터(ST1)를 포함하여 이루어지며, 상기 제1로터(RT1)는 상기 유성기어세트(PG)의 선기어(S: 제1회전요소)와 직접 연결되고, 상기 제1스테이터(ST1)는 변속기 하우징(H)에 직접 고정된다.
상기 제2모터/제너레이터(MG2)는 독립적인 동력원으로서, 모터와 제너레이터 기능을 갖는데, 본 발명에서는 주로 전동기로 사용된다.
또한, 상기 제2모터/제너레이터(MG2)는 제2로터(RT2)와 제2스테이터(ST2)를 포함하여 이루어지며, 상기 제2로터(RT2)는 상기 출력기어(OG)와 직접 연결되고, 상기 제2스테이터(ST2)는 변속기 하우징(H)에 직접 고정된다.
상기 제1클러치(CL1)는 상기 유성기어세트(PG)의 선기어(S: 제1회전요소)와 유성캐리어(PC: 제2회전요소) 사이에 구성되어 상기 선기어(S: 제1회전요소)와 입력축(IS)을 선택적으로 연결하도록 구성된다.
상기 제2클러치(CL2)는 상기 유성기어세트(PG)의 링기어(R: 제3회전요소)와 출력기어(OG) 사이에 구성되어 상기 링기어(R: 제3회전요소)와 출력기어(OG)를 선택적으로 동력 연결한다.
여기서, 상기 제1클러치(CL1)는 상기 유성기어세트(PG)의 선기어(S: 제1회전요소)와 유성캐리어(PC: 제2회전요소)를 선택적으로 연결하여 유성기어세트(PG)가 선택적으로 하나의 회전체가 될 수 있도록 하는 가변 직결수단의 기능을 가지며, 상기 제2클러치(CL2)는 유성기어세트(PG)의 링기어(R: 제3회전요소)로부터 출력되는 회전동력을 상기 출력기어(OG)로 전달한다.
상기에서 제1, 제2클러치(CL1,CL2)는 유압에 의하여 마찰 결합되는 다판식 유압마찰결합유닛으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 상기 감속기어수단(CGU)은 상기 입력축(IS)과 디프렌셜(DIFF) 사이에서 상기 입력축(IS)과 평행하게 중간축(CS)이 구성되고, 상기 중간축(CS) 상의 일측에 중간기어(CG)가 구성되어 상기 출력기어(OG)와 외접 치합된다.
또한, 상기 중간축(CS) 상의 타측에는 구동기어(DG)가 구성되어 상기 디프렌셜(DIFF)의 종감속기어(FG)와 외접 치합된다.
이때, 상기 감속기어수단(CGU)은 중간기어(CG2)가 구동기어(DG)에 비하여 직경이 큰 대직경 기어로 구성되어 상기 출력기어(OG)의 회전동력을 감속하여 종감속기어(FG)에 전달한다.
상기 디프렌셜(DIFF)는 공지에서와 같이 상기 구동기어(DG)와 종감속기어(FG)의 기어비에 의하여 감속되어 입력되는 회전동력을 도로조건에 따라 입력 그대로 또는 차동시켜 구동축(DS)을 통해 구동륜(FW: 즉, 전륜)으로 전달한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 차량용 변속장치에 적용되는 연결수단의 각 구동모드별 작동표이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 차량용 변속장치는 EV모드, 엔진의 시동, 연속모드, 동력분기모드, 병렬모드의 직결 구동, 및 회생제동모드로 이루어지는 구동모드를 구현할 수 있다.
즉, 상기 EV모드와 회생제동모드에서는 제1, 제2클러치(CL1,CL2)가 모두 해제되며, 엔진의 시동 및 연속모드에서는 제1클러치(CL1)만 작동되며, 동력분기모드에서는 제2클러치(CL2)만 작동되며, 상기 병렬모드의 직결 구동 시에는 제1, 제2클러치(CL1,CL2)가 작동된다.
여기서, 본 발명의 실시 예에서는 상기 병렬모드를 직결 구동로 표현하였으나, 이는 제1클러치(CL1)의 작동에 따라 유성기어세트(PG)가 직결상태가 되어 유성기어세트(PG)에 대한 입력과 출력이 1:1이 되는 것을 상징적으로 표현한 것으로, 전체적인 변속장치의 측면에서 상기 병렬모드의 직결 구동의 의미는 상기 출력기어(OG)에 치합되는 감속기어수단(CGU)의 중간기어(CG)와 구동기어(DG)의 기어비에 따라 구현되는 언더 드라이브(UD; UNDER DRIVE), 1:1, 및 오버 드라이버(OD: OVER DRIVE)를 포함한다.
이하, 도 3 내지 도 8을 통하여 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 차량용 변속장치의 각 구동모드별 동력전달 계통을 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 구동 하이브리드 차량용 변속장치의 EV모드에서의 동력전달 계통도이다.
도 3을 참조하면, EV모드에서는 제1, 제2클러치(CL1,CL2)가 모두 작동하지 않는 상태로 이루어진다.
EV모드에서는 엔진(ENG)이 작동 정지된 상태를 유지하고, 유성기어세트가 직접적으로 변속에 관여하지는 않으며, 출력기어(OG)에 동속으로 출력되는 제2모터/제너레이터(MG2)의 출력에 의해 전자적 무단변속이 이루어진다.
즉, 제2모터/제너레이터(MG2)의 구동으로 회전동력이 출력기어(OG), 중간기어(CG), 구동기어(DG)를 통하여 디프렌셜(DIFF)의 종감속기어(FG)로 전달되며, 상기 종감속기어(FG)를 통해 디프렌셜(DIFF)로 전달된 제2모터/제너레이터(MG2)의 회전동력은 도로조건에 따라 입력 그대로 또는 차동되면서 전륜 구동축(DS)을 통해 구동륜(FW)을 구동시킨다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 구동 하이브리드 차량용 변속장치의 엔진 시동에서의 동력전달 계통도이다.
도 4를 참조하면, 상기와 같은 EV모드 상태에서 차량의 속도가 설정치 이상이면, 엔진(ENG)의 시동이 이루어지는데, 이때에는 제1클러치(CL1)만 작동 제어된 상태로 이루어진다.
즉, EV모드 상태에서의 제2모터/제너레이터(MG2)가 구동하는 상태에서, 제1클러치(CL1)의 작동으로 유성기어세트(PG)가 직결된 상태가 되고, 제1모터/제너레이터(MG1)가 회전 구동하여 유성기어세트(PG)의 선기어(S)로 입력이 이루어지면, 유성기어세트(PG)는 하나의 회전체로 회전하여 입력축(IS)을 통해 엔진(ENG)을 구동시켜 엔진(ENG)의 시동이 이루어지도록 한다.
그리고 엔진(ENG)의 시동이 이루어진 후에는 제1모터/제너레이터(MG1)의 구동 제어가 종료되고, 연속모드로 진입한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 구동 하이브리드 차량용 변속장치의 연속모드에서의 동력전달 계통도이다.
도 5를 참조하면, 연속모드에서도 제1클러치(CL1)만 작동 제어된 상태로 이루어진다.
연속모드에서는 상기 EV모드 상태에서 엔진(ENG)이 구동되어 그 회전동력이 제1모터/제너레이터(MG1)로 전달되고, 제1모터/제너레이터(MG1)의 발전전기를 제2모터/제너레이터(MG2)의 구동전원으로 공급한다. 즉, 엔진(ENG)이 구동되더라도 그 회전동력이 구동륜(FW)을 직접 구동시키는데 사용되지 않고 엔진(ENG)의 회전동력 전체가 제1모터/제너레이터(MG1)의 발전용으로만 사용된다.
이러한 연속모드에서는 제2모터/제너레이터(MG2)와 엔진(ENG)이 구동하는 상태에서, 제1클러치(CL1)의 작동으로 유성기어세트(PG)가 직결된 상태가 된다.
이에, 엔진(ENG)의 회전동력이 입력축(IS)을 통하여 유성기어세트(PG)의 선기어(S)로 입력이 이루어지면, 유성기어세트(PG)를 하나의 회전체로 회전시킴과 동시에, 제1모터/제너레이터(MG1)를 구동시켜 발전이 이루어지도록 한다.
즉, 연속모드에서는 제2모터/제너레이터(MG2)의 출력 제어를 통해 전자적 무단변속이 이루어지면서 차량의 주행이 이루어지고, 제2모터/제너레이터(MG2)의 구동전원은 제1모터/제너레이터(MG1)에서의 발전전기를 이용하게 되며, 남는 전기는 배터리에 충전된다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 구동 하이브리드 차량용 변속장치의 동력분기모드에서의 동력전달 계통도이다.
도 6을 참조하면, 동력분기모드에서는 제2클러치(CL2)만 작동 제어된 상태로 이루어진다.
동력분기모드에서는 엔진(ENG)의 회전동력이 주동력으로 적용되고, 제2모터/제너레이터(MG2)의 회전동력이 보조동력으로 적용된다.
즉, 엔진(ENG)이 회전동력이 입력축(IS)과 유성캐리어(PC)를 통해 유성기어세트(PG)로 입력되고, 상기 유성기어세트(PG)에 입력된 회전동력은 유성기어세트(PG)의 각 회전요소의 상호 보완 작동에 의하여 일부는 선기어(S)를 통해 제1모터/제너레이터(MG1)로 전달되고, 일부는 상기 제2클러치(CL2)의 작동에 의해 상기 출력기어(OG)와 상호 동력 연결된 링기어(R)를 통해 출력기어(OG)로 전달된다. 동시에, 제2모터/제너레이터(MG2)의 회전동력이 출력기어(OG)에 보조동력으로 전달된다.
이때, 상기 엔진(ENG)의 회전동력은 토크가 남는 동안, 제1모터/제너레이터(MG1)의 발전에 관여할 수 있다. 즉, 상기 제1모터/제너레이터(MG1)는 유성기어세트(PG)를 통하여 전달되는 엔진(ENG)의 회전동력에 의하여 발전이 이루어지며, 발전된 전기는 제2모터/제너레이터(MG2)에 구동전원으로 공급되며, 남는 전기는 배터리에 충전된다.
이와 같은 동력분기모드에서는 주동력으로 링기어(R)를 통하여 출력기어(OG)로 전달되는 엔진(ENG)의 출력과 함께, 보조동력으로 상기 출력기어(OG)에 바로 전달되는 제2모터/제너레이터(MG2)의 출력 제어에 의해 전자적 무단변속이 이루어진다.
이와 같이, 출력기어(OG)로 입력된 엔진(ENG) 및 제2모터/제너레이터(MG2)의 회전동력은 중간기어(CG), 구동기어(DG)를 통하여 디프렌셜(DIFF)의 종감속기어(FG)로 전달되어 구동륜(FW)을 구동시킨다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 구동 하이브리드 차량용 변속장치의 병렬모드의 직결 구동에서의 동력전달 계통도이다.
도 7을 참조하면, 병렬모드(즉, 직결 구동)에서는 제1, 제2클러치(CL1,CL2)가 동시에 작동된다.
병렬모드의 직결 구동에서는 엔진(ENG)의 회전동력이 주동력으로 적용되고, 제2모터/제너레이터(MG2)의 회전동력이 보조동력으로 적용된다.
즉, 제1클러치(CL1)의 작동으로 유성기어세트(PG)가 직결된 상태에서 엔진(ENG)의 회전동력이 입력축(IS)과 유성기어세트(PG), 및 상기 제2클러치(CL2)의 작동에 의해 상기 유성기어세트(PG)의 링기어(R)에 동력 연결된 출력기어(OG)에 동속의 주동력으로 전달되며, 동시에 제2모터/제너레이터(MG2)의 회전동력이 출력기어(OG)에 보조동력으로 전달된다.
이때, 상기 엔진(ENG)의 회전동력은 일정부분 제1모터/제너레이터(MG1)의 발전에 관여한다. 즉, 상기 제1모터/제너레이터(MG1)에서는 직결된 유성기어세트(PG)를 통하여 전달되는 엔진(ENG)의 회전동력에 의하여 발전이 이루어지며, 발전된 전기는 제2모터/제너레이터(MG2)에 구동전원으로 공급되며, 남는 전기는 배터리에 충전된다.
이와 같은 병렬모드의 직결 구동에서는 주동력으로 입력축(IS)과 직결 상태의 유성기어세트(PG)를 통하여 출력기어(OG)로 전달되는 엔진(ENG)의 직결 출력과 함께, 보조동력으로 출력기어(OG)에 바로 전달되는 제2모터/제너레이터(MG2)의 출력 제어에 의해 전자적 무단변속이 이루어진다.
이와 같이, 출력기어(OG)로 입력된 엔진(ENG) 및 제2모터/제너레이터(MG2)의 회전동력은 중간기어(CG), 구동기어(DG)를 통하여 디프렌셜(DIFF)의 종감속기어(FG)로 전달되어 구동륜(FW)을 구동시킨다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 구동 하이브리드 차량용 변속장치의 회생제동모드에서의 동력전달 계통도이다.
도 8을 참조하면, 회생제동모드에는 상기 EV모드에서와 같이, 제1, 제2클러치(CL1,CL2)가 모두 작동하지 않는 상태로 이루어진다.
즉, 회생제동모드에서는 구동륜(FW)으로부터 입력으로 되는 회생동력이 디프렌셜(DIFF)의 종감속기어(FG), 구동기어(DG), 중간기어(CG), 출력기어(OG)를 통해 제2모터/제너레이터(MG2)로 전달되어 제2모터/제너레이터(MG2)를 구동시켜 발전을 이루도록 한다.
상기에서와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 차량용 변속장치는 엔진(ENG)과 제1모터/제너레이터(MG1) 및 제2모터/제너레이터(MG2)는 모두 구동력을 발생시킬 수 있고, 제1모터/제너레이터(MG1)가 엔진(ENG)의 동력을 이용하여 발전이 이루어질 수 있으며, 제2모터/제너레이터(MG2)의 구동제어를 통하여 차량에서 필요로 하는 전 범위의 변속비를 연속적으로 가변시킬 수 있어 연비 성능을 향상시킬 수 있다.
즉, 전자적 무단변속(E-CVT)이 가능한 구조로, 2개의 모터/제너레이터(MG1,MG2), 2개의 클러치(CL1,CL2)를 입력축(IS) 상에 배치하여 클러치의 접합제어에 따라 저속주행 효율이 좋은 EV모드 및 동력분기모드와 고속주행 효율이 좋은 직결 구동의 병렬모드, 및 플러그인 하이브리드 전기 자동차에 유효한 연속모드를 구현하여 연비 향상을 극대화 할 수 있다.
또한, 병렬모드를 제외한 구동모드에서는 클러치의 접합 제어를 최소화하여 클러치 작동유압의 인가를 최소화함으로써, 연비를 향상시킬 수 있다.
또한, 병렬모드의 직결 구동으로 고속 영역에서 연속모드가 불필요하여 연비 향상은 물론, 구동용인 제2모터/제너레이터(MG2)의 용량을 축소할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시 예에서는 2개의 클러치(CL1,CL2)를 적용하여 EV모드, 병렬모드, 및 동력분기모드와 함께 연속모드와 회생제동모드 등, 다양한 구동모드를 추가 구현하여 뛰어난 연비향상 효과를 나타낸다.
그러나 상기한 바와 같이, 병렬모드의 직결 구동으로 고속 영역에서 연속모드가 없어도 연비 향상은 물론, 구동용인 제2모터/제너레이터(MG2)의 용량을 축소할 수 있는 이점이 있는 바, 유성기어세트(PG)와 제2모터/제너레이터(MG2) 사이의 동력을 차단하는 제2클러치(CL2)를 삭제하여 동력분기모드와 병렬모드를 통한 저속주행 및 고속주행 효율은 유지하면서도 전체적인 변속장치의 전장은 짧게 할 수도 있다.
이상으로 본 발명의 바람직한 실시 예를 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.
CL1, CL2... 제1, 제2클러치
IS... 입력축
MG1, MG2... 제1, 제2모터/제너레이터
OG... 출력기어
PG... 유성기어세트
PC... 유성캐리어
S... 선기어
R ... 링기어

Claims (29)

  1. 엔진의 출력 측과 연결되는 입력축;
    모터와 제너레이터 기능을 가지며, 변속기 하우징에 구성되는 제1모터/제너레이터;
    모터와 제너레이터 기능을 가지며, 출력기어와 직접 연결되어 변속기 하우징에 구성되는 제2모터/제너레이터;
    상기 입력축 상에 배치되며, 3개의 회전요소 중, 제1회전요소가 상기 제1모터/제너레이터와 직접 연결됨과 동시에 상기 입력축에 선택적으로 연결되고, 제2회전요소가 상기 입력축과 직접 연결되며, 제3회전요소가 상기 출력기어와 연결되는 유성기어세트;
    상기 유성기어세트의 제1회전요소와 입력축 사이에 구성되어 상기 제1회전요소와 입력축을 선택적으로 연결하는 제1클러치;
    을 포함하는 하이브리드 차량용 변속장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제3회전요소와 상기 출력기어 사이에 구성되어 상기 제3회전요소와 상기 출력기어를 선택적으로 연결하는 제2클러치를 더 포함하는 하이브리드 차량용 변속장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 유성기어세트는
    싱글 피니언 유성기어세트로서, 제1회전요소가 선기어, 제2회전요소가 유성캐리어, 제3회전요소가 링기어로 이루어지는 하이브리드 차량용 변속장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1클러치는
    엔진의 시동, 연속모드 및 병렬모드에서 작동되는 하이브리드 차량용 변속장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제2클러치는
    동력분기모드에서 작동되며, 병렬모드에서는 상기 제1클러치와 함께 작동되는 하이브리드 차량용 변속장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 입력축과 평행하게 배치된 중간축 상에 구성되어 상기 출력기어와 디프렌셜의 종감속기어 사이에서 상기 출력기어로부터 전달되는 회전동력을 디프렌셜에 감속 전달하는 감속기어수단을 더 포함하는 하이브리드 차량용 변속장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 감속기어수단은
    상기 입력축과 디프렌셜 사이에서 상기 입력축에 평행하게 배치된 중간축;
    상기 중간축 상에 구성되어 상기 출력기어와 외접 기어 연결되는 중간기어;
    상기 중간축 상에 구성되어 상기 디프렌셜의 종감속기어와 외접 기어 연결되는 구동기어;
    를 포함하는 하이브리드 차량용 변속장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 엔진의 출력축과 입력축 사이에는
    토션 댐퍼가 배치되는 하이브리드 차량용 변속장치.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1모터/제너레이터는 발전용이고, 제2모터/제너레이터는 구동용인 하이브리드 차량용 변속장치.
  10. 엔진의 출력 측과 연결되는 입력축;
    모터와 제너레이터 기능을 가지며, 변속기 하우징에 구성되는 제1모터/제너레이터;
    모터와 제너레이터 기능을 가지며, 출력기어와 직접 연결되어 변속기 하우징에 구성되는 제2모터/제너레이터;
    상기 입력축 상에 배치되며, 선기어가 상기 제1모터/제너레이터와 직접 연결됨과 동시에 상기 입력축에 선택적으로 연결되고, 유성캐리어가 상기 입력축과 직접 연결되며, 링기어가 출력기어와 연결되는 유성기어세트;
    상기 유성기어세트의 선기어와 유성캐리어 사이에 구성되어 상기 선기어와 유성캐리어를 선택적으로 연결하는 제1클러치;
    상기 입력축과 평행하게 배치된 중간축 상에 구성되어 상기 출력기어와 디프렌셜의 종감속기어 사이에서 상기 출력기어로부터 전달되는 회전동력을 디프렌셜에 감속 전달하는 감속기어수단;
    을 포함하는 하이브리드 차량용 변속장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 링기어와 상기 출력기어 사이에 구성되어 상기 링기어와 출력기어를 선택적으로 연결하는 제2클러치를 더 포함하는 하이브리드 차량용 변속장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제1클러치는
    엔진의 시동, 연속모드 및 병렬모드에서 작동되는 하이브리드 차량용 변속장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제2클러치는
    동력분기모드에서 작동되며, 병렬모드에서는 상기 제1클러치와 함께 작동되는 하이브리드 차량용 변속장치.
  14. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 감속기어수단은
    상기 입력축과 디프렌셜 사이에서 상기 입력축에 평행하게 배치된 중간축;
    상기 중간축 상에 구성되어 상기 출력기어와 외접 기어 연결되는 중간기어;
    상기 중간축 상에 구성되어 상기 디프렌셜의 종감속기어와 외접 기어 연결되는 구동기어;
    를 포함하는 하이브리드 차량용 변속장치.
  15. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 엔진의 출력축과 입력축 사이에는
    토션 댐퍼가 배치되는 하이브리드 차량용 변속장치.
  16. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 제1모터/제너레이터는 발전용이고, 제2모터/제너레이터는 구동용인 하이브리드 차량용 변속장치.
  17. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 유성기어세트는
    싱글 피니언 유성기어세트로 이루어지는 하이브리드 차량용 변속장치.
  18. 엔진의 출력 측과 연결되는 입력축;
    모터와 제너레이터 기능을 가지며, 변속기 하우징에 구성되는 제1모터/제너레이터;
    모터와 제너레이터 기능을 가지며, 출력기어와 직접 연결되어 변속기 하우징에 구성되는 제2모터/제너레이터;
    상기 입력축 상에 배치되며, 선기어가 상기 제1모터/제너레이터와 직접 연결됨과 동시에 상기 입력축에 선택적으로 연결되고, 유성캐리어가 상기 입력축과 직접 연결되며, 링기어가 출력기어와 선택적으로 연결되는 유성기어세트;
    상기 유성기어세트의 선기어와 유성캐리어 사이에 구성되어 상기 선기어와 유성캐리어를 선택적으로 연결하는 제1클러치;
    상기 유성기어세트의 링기어와 상기 출력기어 사이에 구성되어 상기 링기어와 출력기어를 선택적으로 연결하는 제2클러치;
    상기 입력축과 평행하게 배치된 중간축 상에 구성되어 상기 출력기어와 디프렌셜의 종감속기어 사이에서 상기 출력기어로부터 전달되는 회전동력을 디프렌셜에 감속 전달하는 감속기어수단;
    을 포함하여 EV모드, 연속모드, 동력분기모드, 병렬모드, 회생제동모드로 이루어지는 구동모드를 구현하는 하이브리드 차량용 변속장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 EV모드와 회생제동모드에서는 제1, 제2클러치의 작동이 모두 해제되고,
    상기 엔진의 시동 및 연속모드에서는 제1클러치만 작동되고,
    상기 동력분기모드에서는 제2클러치만 작동되고,
    상기 병렬모드에서는 제1, 제2클러치가 작동되는 하이브리드 차량용 변속장치.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 감속기어수단은
    상기 입력축과 디프렌셜 사이에서 상기 입력축에 평행하게 배치된 중간축;
    상기 중간축 상에 구성되어 상기 출력기어와 외접 기어 연결되는 중간기어;
    상기 중간축 상에 구성되어 상기 디프렌셜의 종감속기어와 외접 기어 연결되는 구동기어;
    를 포함하는 하이브리드 차량용 변속장치.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 엔진의 출력축과 입력축 사이에는
    토션 댐퍼가 배치되는 하이브리드 차량용 변속장치.
  22. 제18항에 있어서,
    상기 제1모터/제너레이터는 발전용이고, 제2모터/제너레이터는 구동용인 하이브리드 차량용 변속장치.
  23. 제18항에 있어서,
    상기 유성기어세트는
    싱글 피니언 유성기어세트로 이루어지는 하이브리드 차량용 변속장치.
  24. 엔진의 출력 측과 연결되는 입력축;
    모터와 제너레이터 기능을 가지며, 변속기 하우징에 구성되는 제1모터/제너레이터;
    모터와 제너레이터 기능을 가지며, 출력기어와 직접 연결되어 변속기 하우징에 구성되는 제2모터/제너레이터;
    상기 입력축 상에 배치되며, 선기어가 상기 제1모터/제너레이터와 직접 연결됨과 동시에 상기 입력축에 선택적으로 연결되고, 유성캐리어가 상기 입력축과 직접 연결되며, 링기어가 출력기어와 직접 연결되는 유성기어세트;
    상기 유성기어세트의 선기어와 유성캐리어 사이에 구성되어 상기 선기어와 유성캐리어를 선택적으로 연결하는 제1클러치;
    상기 입력축과 평행하게 배치된 중간축 상에 구성되어 상기 출력기어와 디프렌셜의 종감속기어 사이에서 상기 출력기어로부터 전달되는 회전동력을 디프렌셜에 감속 전달하는 감속기어수단;
    을 포함하여 EV모드, 동력분기모드, 병렬모드로 이루어지는 구동모드를 구현하는 하이브리드 차량용 변속장치.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 제1클러치는
    상기 엔진의 시동과 병렬모드에서 작동되는 하이브리드 차량용 변속장치.
  26. 제24항에 있어서,
    상기 감속기어수단은
    상기 입력축과 디프렌셜 사이에서 상기 입력축에 평행하게 배치된 중간축;
    상기 중간축 상에 구성되어 상기 출력기어와 외접 기어 연결되는 중간기어;
    상기 중간축 상에 구성되어 상기 디프렌셜의 종감속기어와 외접 기어 연결되는 구동기어;
    를 포함하는 하이브리드 차량용 변속장치.
  27. 제24항에 있어서,
    상기 엔진의 출력축과 입력축 사이에는
    토션 댐퍼가 배치되는 하이브리드 차량용 변속장치.
  28. 제24항에 있어서,
    상기 제1모터/제너레이터는 발전용이고, 제2모터/제너레이터는 구동용인 하이브리드 차량용 변속장치.
  29. 제24항에 있어서,
    상기 유성기어세트는
    싱글 피니언 유성기어세트로 이루어지는 하이브리드 차량용 변속장치.
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