KR101795377B1

KR101795377B1 - 하이브리드 차량 변속기 및 시동 제어 방법

Info

Publication number: KR101795377B1
Application number: KR1020120041080A
Authority: KR
Inventors: 박준영
Original assignee: 현대자동차 주식회사; 기아자동차 주식회사
Priority date: 2012-04-19
Filing date: 2012-04-19
Publication date: 2017-11-10
Also published as: KR20130118127A; US9020675B2; CN103373214A; DE102013201881A1; JP6168782B2; JP2013224133A; CN103373214B; US20130282213A1

Abstract

본 발명은 하이브리드 차량의 변속기와 시동 제어 방법에 관한 것으로서, 구체적으로 차량 변속기는 엔진에 연결되고 복수의 부재를 포함하는 제1차동기어장치, 엔진과 제1차동기어장치의 제1부재를 선택적으로 연결하는 제1토크전달기구, 복수의 부재를 포함하되, 복수의 부재는 제1차동기어장치의 제2부재와 상시 연결된 제3부재 및 차량의 구동장치에 연결된 출력요소에 연결되는 제4부재를 포함하는 제2차동기어장치, 제1차동기어장치의 제5부재에 연결된 제1모터제너레이터, 제2차동기어장치의 제3부재에 연결된 제2모터제너레이터, 제1차동기어장치의 제1부재와 제5부재를 선택적으로 연결하는 제2토크전달기구, 제1차동기어장치의 제1부재와 제2차동기어장치의 제6부재를 선택적으로 연결하는 제3토크전달기구, 제1차동기어장치의 제5부재에 연결되어 제5부재의 회전을 구속하는 제4토크전달기구, 및 제2차동기어장치의 제6부재에 연결되어 제6부재의 회전을 구속하는 제5토크전달기구를 포함하고, 제1차동기어장치의 상기 제1부재의 속도는 엔진 기동이 개시되기 전 소정의 기간 동안 제1 속도 범위 내로 감소되는 특징이 있다.

Description

하이브리드 차량 변속기 및 시동 제어 방법{HYBRID VEHICLE TRANSMISSION AND METHOD FOR START CONTROLLING OF HYBRID VEHICLE}

본 발명은 하이브리드 차량의 변속기 및 시동 제어 방법에 관한 것으로, 특히 하이브리드 차량에서 시동 응답성이 향상되는 시동 제어 방법과 이를 도입한 차량 변속기에 관한 것이다.

최근 들어 엔진의 구동에 의해 발전하는 발전기, 주행용 배터리(고압 배터리) 및 주행용 모터 등을 구비한 하이브리드 차량이 실용화되고 있는 추세이다. 하이브리드 차량은 엔진의 구동력과 주행용 모터의 구동력을 병용하여 구동륜을 회전 구동시켜 주행하는 병렬식, 엔진의 구동력에 의해 발전한 전력에 의해 주행용 모터를 구동시켜 주행하는 직렬식, 및 이들을 융합시킨 것이 있다.

하이브리드 차량은 엔진과 모터제너레이터 및 유성기어장치를 조합하여 구성된 하이브리드 변속기를 탑재한다. 하이브리드 차량은 주로 출발 및 저속 구간에서 모터에 의해서만 구동하는 전기차 모드 주행을 하고, 이후 차량 속도가 증가하면 변속기를 EVT(Electrically Variable Transmission)로 작용하도록 하여 엔진의 동력과 모터의 동력을 보다 효율적으로 사용하도록 하는 동력분기모드로 주행하도록 한다. 차량의 동력 성능을 보다 우수하게 하도록 하기 위하여 기존 변속기처럼 고정단 기어비를 사용하도록 할 수 있다. 이러한 개념을 기반으로 하는 시스템은 아이들 스탑 기능과 회생제동의 극대화 구현 및 차량의 연비, 동력성능을 개선하도록 하고 있다.

또한, 하이브리드 차량은, 모터제너레이터만으로 구동되는 동안, 엔진에 의한 배기가스를 발생할 여지가 없고, 엔진을 최적의 연비점에서 구동할 수 있기 때문에, 연비 개선과 배기가스 저감의 장점을 가진 친환경적인 자동차 기술로 인정받고 있다.

이러한 하이브리드 차량의 변속기는 간단한 구성으로 다양한 운전모드를 구현할 수 있도록 하고, 차량의 주행 상황에 따라 그 운전모드를 변경하도록 함으로써, 효율적인 운행으로 차량의 연비를 개선하고, 가속성능을 향상시키는 등 차량 주행성능의 향상을 가져오도록 하는 것이 바람직하다.

그러나, 하이브리드 차량의 운전 모드가 다양하고 수시로 변할 수 있기 때문에 차량의 다양한 주행 모드에 따라 기민하게 적응하면서 엔진 기동의 응답성을 높이는 것에 어려움이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 하이브리드 차량의 다양한 주행 모드에 따라 엔진 기동의 응답성을 향상시키고 그로 인해 차량 구동의 효율성을 높일 수 있는 시동 제어 방법을 제공하는 데 목적이 있다.

그리고 하이브리드 차량의 동력 분기 모드의 운전 시, 엔진 속도 제어로 인해 엔진 기동의 응답성이 저감되는 문제를 개선하고 운전 효율을 향상시키는 하이브리드 자동차의 변속기를 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 차량의 변속기는 차량 변속기는 엔진에 연결되고 복수의 부재를 포함하는 제1차동기어장치, 엔진과 제1차동기어장치의 제1부재를 선택적으로 연결하는 제1토크전달기구, 복수의 부재를 포함하되, 복수의 부재는 제1차동기어장치의 제2부재와 상시 연결된 제3부재 및 차량의 구동장치에 연결된 출력요소에 연결되는 제4부재를 포함하는 제2차동기어장치, 제1차동기어장치의 제5부재에 연결된 제1모터제너레이터, 제2차동기어장치의 제3부재에 연결된 제2모터제너레이터, 제1차동기어장치의 제1부재와 제5부재를 선택적으로 연결하는 제2토크전달기구, 제1차동기어장치의 제1부재와 제2차동기어장치의 제6부재를 선택적으로 연결하는 제3토크전달기구, 제1차동기어장치의 제5부재에 연결되어 제5부재의 회전을 구속하는 제4토크전달기구, 및 제2차동기어장치의 제6부재에 연결되어 제6부재의 회전을 구속하는 제5토크전달기구를 포함한다. 이때, 제1차동기어장치의 상기 제1부재의 속도는 엔진 기동이 개시되기 전 소정의 기간 동안 제1 속도 범위 내로 감소되는 특징이 있다.

상기 소정의 기간은 상기 엔진이 스타터에 의해 시동이 개시되는 기간일 수 있다.

한편 상기 제1 속도 범위는 상기 제1모터제너레이터와 상기 제2모터제너레이터 각각의 속도 한계(speed constraint) 내에서 상기 엔진의 회전 속도보다 빠른 범위로 결정될 수 있다.

그리고 상기 제1 속도 범위는 상기 엔진 속도보다 크고 상기 제1모터제너레이터와 상기 제2모터제너레이터 각각의 속도 한계 중 작은 값보다 작은 범위일 수 있다.

상기 소정의 기간은, 하이브리드 차량의 전기차 모드의 저속 주행 기간에서 엔진 기동 후의 동력 분기 모드의 고속 주행 기간으로 진행되는 변환 기간일 수 있다.

또한 상기 제1부재의 속도는 상기 제1모터제너레이터의 속도 제어를 통해 결정될 수 있다.

본 발명에서 상기 제1차동기어장치 및 상기 제2차동기어장치는 각각 유성기어장치로 이루어지고, 상기 제1차동기어장치의 상기 제1 부재, 제2 부재, 및 제5 부재는 각각 제1캐리어, 제1선기어, 및 제1링기어로 이루어지고, 상기 제2차동기어장치의 상기 제 3부재, 제4 부재, 및 제6 부재는 각각 제2선기어, 제2캐리어 및 제2링기어로 이루어질 수 있다.

한편 상기 제1토크전달기구, 제2토크전달기구, 제3토크전달기구는 각각 서로 상대 회전이 가능한 부재 사이를 선택적으로 연결하거나 차단할 수 있는 엔진 클러치, 제1 클러치, 제2 클러치로 구성된다.

상기 제4토크전달기구와 제5토크전달기구 각각은 연결된 부재의 회전을 제한하는 제1브레이크와 제2브레이크로 구성된다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 차량의 시동 제어 방법은 엔진, 적어도 두 개의 모터제너레이터와 적어도 하나의 차동기어장치를 포함하고, 입력축의 속도를 상기 적어도 두 개의 모터제너레이터에 의해 제어하는 하이브리드 차량 변속기, 상기 엔진과 상기 변속기의 입력축 사이에 위치하여 연결하는 토크전달기구, 및 상기 엔진과 연결되어 엔진의 시동을 개시하는 스타터를 포함하는 하이브리드 차량의 시동 제어 방법에 관한 것이다.

구체적으로 상기 엔진의 동력이 요구되지 않는 경우에 상기 토크전달기구의 결합 요소를 해지하고 상기 적어도 두 개의 모터제너레이터의 운전 효율에 따라 상기 변속기의 입력축의 속도를 결정하는 단계, 및 상기 엔진의 동력이 요구되는 경우에 상기 스타터로 엔진을 시동하고, 상기 토크전달기구의 결합요소를 체결하기 위한 소정의 속도 범위로 상기 변속기의 입력축 속도를 조정하며, 상기 토크전달기구의 결합요소가 체결된 이후에는 상기 엔진 속도 및 상기 적어도 두 개의 모터제너레이터의 운전 효율에 따라 상기 변속기의 입력축 속도를 결정하는 단계를 포함한다.

실시 예에 따라서는 상기 하이브리드 차량의 시동 제어 방법의 각 단계 이전에, 상기 하이브리드 차량 변속기에 입력 정보를 전달하고 상기 엔진의 동력이 필요한지 문의하는 단계를 더 포함할 수 있다.

이때 상기 하이브리드 차량 변속기의 입력 정보는, 적어도 엔진의 기동 요구 정보, 변속기의 출력요소(OUTPUT)의 속도, 각 구성 요소의 요구 토크량, 제1모터제너레이터와 제2모터제너레이터의 각 온도, 제1모터제너레이터의 속도, 제2모터제너레이터의 속도, 엔진의 속도, 배터리의 잔존 용량(SOC), 엔진 클러치의 체결 정보를 포함한다.

그리고, 상기 소정의 속도 범위는, 상기 엔진의 속도 및 상기 변속기의 모터제너레이터 속도 한계 사이의 범위일 수 있다.

또한 상기 소정의 속도 범위로 조정된 변속기의 입력축의 속도는 상기 엔진의 최대 속도와 가까운 속도로 제어되어 상기 엔진의 시동 응답시간을 단축하는 것을 특징으로 한다.

다른 실시 예에 따라서는 상기 엔진 동력이 요구되는 경우에 상기 변속기의 입력축 속도가 상기 소정의 속도 범위로 조정되면 상기 토크전달기구의 결합요소가 체결되는지 확인하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 의하면 하이브리드 차량의 다양한 주행 모드에 따라 엔진 기동의 응답성이 향상되고 그로 인해 차량 구동의 효율성이 개선되는 효과가 있다.

또한 본 발명의 시동 제어 방법을 적용한 하이브리드 차량의 변속기를 제공함으로써, 특히 하이브리드 차량의 동력 분기 모드의 운전 시, 하이브리드 자동차의 동력 절감의 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 의한 하이브리드 차량의 변속기의 구성을 개략적으로 나타낸 도면.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 의한 하이브리드 차량 변속기의 구동 상태를 운전 모드 단계별로 나타낸 레버 다이어그램.
도 5는 상기 도 2 내지 도 4의 운전 모드 단계별로 수행되는 하이브리드 차량 변속기의 제어 흐름을 나타내는 흐름도.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예들에 한정되지 않는다.

또한, 여러 실시 예들에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1 실시 예에서 설명하고, 그 외의 실시 예에서는 제1 실시 예와 다른 구성에 대해서만 설명하기로 한다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 의한 하이브리드 차량의 변속기의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면 하이브리드 차량의 변속기는, 엔진(ENGINE)에 연결되는 제1차동기어장치(1), 한편으로 상기 제1차동기어장치에 연결되고 다른 한편으로는 차량의 구동장치에 연결되는 출력요소(OUTPUT)에 연결되는 제2차동기어장치(3), 출력요소(OUTPUT), 제1모터제너레이터(MG1), 제2모터제너레이터(MG2), 및 각 구성 요소 사이에 연결되어 동력을 전달하는 복수의 토크전달기구로 구성된다.

여기서 상기 엔진(ENGINE)은 스타터(STARTER)와 연결되고, 별도의 로직을 통해 엔진 기동의 요구 명령이 입력될 때 상기 스타터를 통해 시동이 개시된다.

엔진(ENGINE)은 토크전달기구(제1토크전달기구라 함)를 통해 제1차동기어장치(1)의 일 부재(제1 부재라 함)에 연결된다. 여기서 제1 부재는 하이브리드 차량의 변속기의 입력축이 된다.

제1차동기어장치(1)는 상기 일 부재(제1 부재)와 다른 일 부재(제2 부재라 함)를 통해 제2차동기어장치(3)의 일 부재(제3 부재라 함)에 상시 연결되어 있다. 그리고 제2차동기어장치(3)는 상기 일 부재(제3 부재)와 다른 일 부재(제4 부재라 함)를 통해 출력요소(OUTPUT)와 연결되어 있다.

그리고 하이브리드 차량 변속기는 상기 제1차동기어장치(1)의 한 부재(제5 부재라 함)에 상시 연결된 제1모터제너레이터(MG1)와, 상기 제2차동기어장치(3)의 상기 제3 부재에 상시 연결된 제2모터제너레이터(MG2)를 포함하여 구성된다.

또한 본 발명의 변속기는 엔진(ENGINE)에 연결된 제1차동기어장치(1)의 상기 제1 부재와 제1모터제너레이터(MG1)에 연결된 제1차동기어장치(1)의 상기 제5 부재를 선택적으로 연결하는 제2토크전달기구와, 제1차동기어장치(1)의 제1 부재와 제2차동기어장치(3)의 나머지 일 부재(제6 부재라 함)를 선택적으로 연결하는 제3토크전달기구를 포함한다.

그리고 상기 제2토크전달기구에 연결된 상기 제1차동기어장치(1)의 제5 부재의 회전을 구속할 수 있도록 제4토크전달기구가 설치된다. 아울러 상기 제3토크전달기구에 연결된 상기 제2차동기어장치(3)의 제6 부재의 회전을 구속할 수 있도록 제5토크전달기구가 설치된다.

상기 제1차동기어장치(1)는 제1 부재, 제2 부재, 및 제5 부재를 포함하고, 상기 제2차동기어장치(3)는 제 3부재, 제4 부재, 및 제6 부재를 포함한다. 상기 제1차동기어장치(1) 및 제2차동기어장치(3)는 각각 유성기어장치로 이루어진다.

상기 제1차동기어장치(1)의 제1 부재, 제2 부재, 및 제5 부재는 각각 제1캐리어(C1), 제1선기어(S1), 및 제1링기어(R1)로 이루어지며, 상기 제2차동기어장치(3)의 제 3부재, 제4 부재, 및 제6 부재는 각각 제2선기어(S2), 제2캐리어(C2) 및 제2링기어(R2)로 이루어진다.

물론, 상기 제1차동기어장치(1) 및 제2차동기어장치(3)는 상기한 유성기어장치뿐만 아니라 베벨기어 등과 같은 기어들을 사용하여, 적어도 어느 한 기어의 회전속도가 항상 다른 두 기어의 가중평균 속도를 이루도록 하는 다른 기어장치로도 구현될 수 있을 것이다.

한편, 엔진(ENGINE)과 제1차동기어장치(1)의 제1캐리어(C1)을 연결하는 상기 제1토크전달기구는 서로 상대회전이 가능한 두 부재 사이를 선택적으로 연결하거나 차단할 수 있도록 엔진 클러치(EC)로 구성된다.

그리고 제1차동기어장치(1)의 제1캐리어(C1)와 제1링기어(R1)를 선택적으로 연결하는 제2토크전달기구는 서로 상대회전이 가능한 두 부재 사이를 선택적으로 연결하거나 차단할 수 있도록 제1클러치(CL1)로 구성된다.

상기 제1차동기어장치(1)의 부재들 중에서 제1모터제너레이터(MG1)과 연결된 제1링기어(R1)의 회전을 구속할 수 있도록 상기 제4토크전달기구가 연결되어 있다. 상기 제4토크전달기구는 제1브레이크(BK1)로 구성된다.

또한 제1차동기어장치(1)의 제1캐리어(C1)와 제2차동기어장치(3)의 제2링기어(R2)를 선택적으로 연결하는 제3토크전달기구는 서로 상대회전이 가능한 두 부재 사이를 연결하거나 차단할 수 있도록 제2클러치(CL2)로 구성된다.

상기 제2차동기어장치(3)의 부재들 중에서 제2링기어(R2)의 회전을 구속할 수 있도록 구비된 제5토크전달기구는 제2브레이크(BK2)로 구성된다.

도 1의 실시 예에 따른 하이브리드 차량의 변속기는 엔진(ENGINE)이 엔진 클러치(EC)를 통해 상기 제1캐리어(C1)에 연결되고, 상기 제1캐리어(C1)는 제2클러치(CL2)를 통해 상기 제2링기어(R2)에 연결되며, 제2차동기어장치(3)의 제2캐리어(C2)가 상기 출력요소(OUTPUT)에 연결되어 있다.

도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 의한 하이브리드 차량 변속기의 구동 상태를 운전 모드 단계별로 나타낸 레버 다이어그램이다.

일반적으로 하이브리드 차량의 작동 모드 상태는 토크전달기구인 클러치와 브레이크의 결합에 따라 다양한 변속 모드로 구현이 가능하다. 차량의 운전 모드는 크게 2개의 전기차 모드인 EV1과 EV2 모드, 2개의 동력분기모드인 입력분기모드와 복합분기모드, 및 3개의 고정기어단모드이다. 특히 전기차 모드인 EV1과 EV2 모드는 엔진 클러치의 연결을 해제한 상태의 정지 모드(EV1)와 저속 주행 모드(EV2)이다.

하이브리드 차량의 고속 주행 중 높은 운전 동력이 필요하거나 배터리가 소모되어 엔진 기동이 필요한 경우 엔진 시동에 의해 엔진 클러치가 결합되면 엔진 동력을 사용하여 주행하게 된다. 스타터로 엔진을 시동한 후 엔진 스스로 속도를 제어하여 차동기어장치에 연결된 캐리어와 속도를 동기화시킨 후 엔진 클러치가 결합되는데, 일반적으로 동력분기모드의 복합 분기 운전시 엔진의 목표속도(캐리어 회전속도)가 매우 높아 속도의 동기화에 시간이 과다하게 소요되게 된다. 그러면 하이브리드 차량의 엔진 기동의 응답성이 불리하게 되어 운전 동력의 경제성과 운전 효율성이 떨어지는 문제가 발생한다.

따라서 본 발명의 하이브리드 차량의 시동 제어 방법을 이용한 변속기는 도 2 내지 도 4와 같은 운전 모드에 따라 차동기어장치의 캐리어의 속도 결정 자유도를 이용하고, 엔진 시동 시 엔진 클러치의 결합이 유리한 속도로 캐리어의 속도를 제어하는 기술을 제안한다. 그러면 전체 엔진 기동의 응답성이 빨라져서 엔진 기동 시간이 단축된다.

도 2 내지 도 4는 본 발명의 하이브리드 차량의 변속기의 구동 상태를 다양한 운전 모드 중 일부 운전 모드에서 각 구성요소의 연결 동작과 함께 레버 다이어그램을 표시한 것이다. 즉, 도 2는 전기차 모드의 저속 주행(EV2) 상태의 변속기의 구성요소의 연결 동작과 각 구성요소 간 레버 다이어그램을 나타낸 것이다. 그리고 도 3은 엔진 시동이 아직 개시되기 전 엔진 시동 제어 모드인 상태에서 변속기 구조와 레버 다이어그램을 나타낸 것이고, 도 4는 엔진 결합 후 동력분기모드의 복합 분기 모드로 운전 시의 변속기 구조와 레버 다이어그램을 나타낸 것이다.

본 발명에서 레버 다이어그램은 차량 변속기의 각 구성 요소 간의 속도와 토크(회전력)의 상대적인 관계를 설명하기 위한 그림이다.

레버 다이어그램의 상하 관계는 속도의 크기에 대응하고, 화살표의 길이는 해당 구성요소에 회전을 위해 가해지는 힘(회전력, 토크)의 크기에 대응한다.

즉, 레버 다이어그램에서의 가로축(점선 표시)은 속도가 0이 되는 기준선이고, 0인 가로축 점선과 멀어질수록 해당 구성 요소의 일 방향의 속도가 증가되는 것을 의미한다.

또한 화살표의 길이가 길수록 해당 구성 요소에 가해지는 토크량이 큰 것이므로 도 2 내지 도 4에서 출력요소(OUTPUT)의 토크량이 가장 큰 것을 알 수 있다.

한편 도 2 내지 도 4를 참조하면 출력요소(OUTPUT)의 토크량은 각 구성요소의 토크량의 합으로써 균형을 이룬다. 즉, 도 2와 도 3에서 제1 모터제너레이터(MG1)와 제2 모터제너레이터(MG2)의 토크량의 합은 출력요소(OUTPUT)의 토크량임을 알 수 있다. 또한 도 4에서 제1 모터제너레이터(MG1), 제2 모터제너레이터(MG2), 및 엔진(ENG)의 토크량의 합이 출력요소(OUTPUT)의 토크량에 대응한다.

출력요소(OUTPUT)에서 출력되는 힘(회전력)은 운전 모드에 따라 양 모터제너레이터 또는 엔진의 힘과 균형을 이루고, 차량의 구동 장치와 연결되어 차량을 구동시킨다. 출력요소(OUTPUT)는 차량 구동 장치와 연결되어 있으므로 차속으로 볼 수 있으며, 출력 요소의 회전 속도는 차속으로서 거의 고정적 속도로 유지된다.

이하에서는 도 2 내지 도 4의 각 운전 모드 단계별로 본 발명의 일 실시 예에 따른 시동 제어 방법이 구현되는 모습을 설명하기로 한다.

도 2는 전기차 모드의 저속 주행(EV2) 상태를 표현한 것으로서, 엔진 클러치가 연결되지 않은 상태에서 제2브레이크(BK2)와 함께 제2 클러치(CL2)를 체결하여 엔진(ENGINE)을 적극적으로 고정한다. 도 2에서 체결 상태를 점은 점으로 표시하였다. 그래서 도 2의 레버 다이어그램의 토크 관계에서 보는 바와 같이, 차량 구동 장치에 연결된 출력요소(OUTPUT)로 전달되는 동력이 제2모터제너레이터(MG2)의 동력뿐만 아니라 제1모터제너레이터(MG1)의 동력과 균형을 이루게 된다. 즉, 전기차 모드의 저속 주행(EV2) 상태에서 엔진의 동력이 아닌 제2모터제너레이터(MG2)와 제1모터제너레이터(MG1)의 동력으로만 운전이 진행된다.

이때 엔진(ENGINE)과 연결된 제1차동기어장치(1)의 제1캐리어(C1)의 속도는 제2모터제너레이터(MG2)와 제1모터제너레이터(MG1)의 운전 효율이 좋으면서 발열량이 최소가 되는 지점으로 결정될 수 있다. 즉, 도 2에서 진한 선으로 표시된 제2모터제너레이터(MG2)와 제1모터제너레이터(MG1)의 운전 효율이 제1캐리어(C1)의 속도에 영향을 미치는 변수가 된다.

도 2의 레버 다이어그램에서 보는 바와 같이 제1캐리어(C1)의 속도는 상당히 높기 때문에 운전 구동 시 엔진 기동 모드가 개시될 때 제1캐리어(C1)의 속도에 엔진 목표 속도가 동기화되는데 상당 시간이 걸리게 된다.

따라서, 도 3과 같이 엔진 시동 제어 모드에서 제1캐리어(C1)의 속도를 상대적으로 낮게 제어한다.

도 3은 엔진 시동 제어 상태로서 스타터(STARTER)에 의해 엔진(ENGINE)이 기동되는 상태를 도시한 것이다. 즉, 스타터(STARTER)에 의해 엔진(ENGINE)이 기동될 때 엔진 속도와 제1캐리어(C1)의 속도의 동기화가 필요한데, 기존 엔진의 속도 제어로만 동기화하지 않고, 본 발명의 시동 제어 방법에서는 제1캐리어(C1)의 속도를 낮게 변경하여 엔진 속도의 동기화를 보다 유리하게 제어할 수 있다.

이때 제1캐리어(C1)의 속도의 변경은 제1모터제너레이터(MG1)의 속도 변경에 의해 가능하다. 도 2의 작동 모드와 비교할 때 도 3의 출력요소(OUTPUT)의 구동력은 차량 구동 장치와 연결되어 거의 속도가 고정되고 토크량이 일정한 상태이다. 이러한 상태에서 제1모터제너레이터(MG1)의 속도 제어를 통해 동기화에 유리한 최저 속도로 제1캐리어(C1)의 속도를 결정한다. 제1모터제너레이터(MG1)의 속도가 떨어짐으로써 엔진 시동 제어 모드 중에는 일순간 효율이 떨어질 수 있으나 짧은 시간에 엔진 기동의 응답성이 향상되기 때문에 전체 하이브리드 차량의 운전 모드에서의 효율성이 증가될 수 있다.

상기 제1캐리어(C1)의 속도 범위는 특별히 소정의 수준으로 한정되지 않지만, 제1모터제너레이터(MG1)와 제2모터제너레이터(MG2) 각각의 속도 한계(speed constraint) 내에서 결정될 수 있다. 제1캐리어(C1)의 속도는 엔진 속도와 최대한 가깝게 결정될 수 있다. 따라서, 엔진 속도가 제1캐리어(C1)의 속도에 동기화되는 시간을 대폭 줄일 수 있다. 즉, 제1캐리어(C1)의 속도 범위는 상기 엔진 속도와 제1모터제너레이터(MG1)와 제2모터제너레이터(MG2) 각각의 속도 한계(speed constraint) 중 작은 값 사이의 범위 내에서 결정될 수 있다.

도 4는 동력 분기 모드의 하나인 복합 분기 모드에서의 변속기 연결 구조와 레버 다이어그램을 나타낸 것으로서, 도 3의 엔진 시동 후 엔진 클러치(EC)가 결합하여 엔진(ENGINE)의 동력이 사용되는 것을 도시하였다.

도 4는 엔진 시동이 이루어진 고속 주행 상태를 나타내고, 이러한 고속 주행 모드는 제2 클러치(CL2)를 체결하여 구현된다. 도 4의 복합 분기 모드에서는 검은 점으로 표시한 바와 같이 엔진 클러치(EC)와 제2 클러치(CL2)가 체결된다.

그러면 제2 클러치(CL2)의 체결에 의해 제1차동기어장치(1)와 제2차동기어장치(3)가 도시된 바와 같이 하나의 레버를 형성한다. 그리고, 제2모터제너레이터(MG2)와 엔진(ENGINE)에 의해 구동이 이루어지고, 제1모터제너레이터(MG1)는 발전 또는 동력 순환의 상태를 가지게 된다.

그래서 도 4의 레버 다이어그램과 같이 출력요소(OUTPUT)의 구동력은 제1모터제너레이터(MG1), 제2모터제너레이터(MG2), 및 엔진(ENGINE)의 동력의 합과 균형을 이루게 된다.

도 4의 고속 주행 모드에서 레버 다이어그램을 참조하면, 제1모터제너레이터(MG1)의 속도는 다시 상승한다.

도 4에서 제1모터제너레이터(MG1), 제2모터제너레이터(MG2), 및 엔진(ENGINE)의 운전 효율 조건을 모두 고려하므로 고속 주행 모드에서 전체 차량 시스템의 효율이 향상된다. 이때의 제1캐리어(C1)의 속도는 배터리의 잔존 용량(State Of Charge, SOC) 관리가 유리한 지점에서 결정될 수 있다.

도 5는 상기 도 2 내지 도 4의 운전 모드 단계별로 수행되는 하이브리드 차량 변속기의 제어 흐름을 나타낸다. 즉, 도 2 내지 도 4의 단계로 진행되는 운전 모드별로 제어의 순서와 함께 각 모드에서의 제1캐리어(C1)의 속도 제어를 나타낸다.

본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 차량의 변속기에 입력되는 정보는 S1 단계에서 보는 바와 같이 엔진, 트랜스미션, 토크, 제1모터제너레이터(MG1), 제2모터제너레이터(MG2), 충전상태, 엔진 클러치(EC)에 대한 정보들이다.

구체적으로 엔진의 기동 요구 정보, 변속기의 출력요소(OUTPUT)의 속도, 각 구성 요소의 요구 토크량, 제1모터제너레이터(MG1)와 제2모터제너레이터(MG2)의 각 온도, 제1모터제너레이터(MG1)의 최저 속도, 제2모터제너레이터(MG2)의 최대 속도, 엔진의 최저 속도, 배터리의 잔존 용량(SOC), 엔진 클러치의 체결 정보 등이다.

하이브리드 차량의 변속기 관련 정보가 입력되면 엔진 기동이 요구되는 상황인지 문의한다(S2). 하이브리드 차량은 제어부의 별도 로직을 통해서 운전 작동 상황이나 차량 모니터링 상태에 따라서 전기 차 주행 모드로 진행하다가 엔진 기동이 요구되는 경우 이에 대한 작동 명령을 생성하여 전달할 수 있다. 즉, 차량의 운전 수행 중 높은 파워가 요구되거나, 고속 주행이 필요하거나, 또는 배터리의 소모량이 커서 충전이 요구될 때 등의 상황에서 차량 제어부의 제어 명령으로서 엔진 기동 요구 명령을 출력할 수 있다.

상기 S2 단계의 문의 상황에서 엔진 기동이 요구되지 않는 경우에는 S4 단계로 진행하여 차량은 전기차 주행 모드(EV)로 구동된다. 상술한 바와 같이 전기차 주행 모드(EV)는 정지 상태이거나 저속 주행 상태인 경우이며, 저속 주행 상태인 경우 제1캐리어(C1)의 속도는 제1모터제너레이터(MG1)와 제2모터제너레이터(MG2)의 운전 효율에 따라 결정된다.

구체적으로 S4 단계에서의 제1캐리어(C1) 속도는 S1에서 입력된 정보들 중 출력요소(OUTPUT)의 속도, 요구 토크량, 제1모터제너레이터(MG1)와 제2모터제너레이터(MG2)의 각 온도가 고려될 수 있다.

제1모터제너레이터(MG1)와 제2모터제너레이터(MG2)를 각각 운전 효율이 좋은 조건으로 구동할 수 있으면 상대적으로 차량의 연비를 향상시킬 수 있다. S4 단계는 도 2에 도시한 운전 모드를 가리킨다.

상기 S2 단계의 문의 상황에서 엔진 기동이 요구되는 경우에는 S3 단계로 진행하여 하이브리드 차량의 변속기의 엔진 클러치(EC)가 체결되었는지 문의한다.

엔진 클러치가 체결되지 않아서 엔진이 제1차동기어장치의 제1캐리어(C1)과 연결되지 않은 상태에서 S5 단계의 엔진 시동 제어 모드로 진행된다.

상기 S5 단계에서 엔진의 기동을 위하여 스타터(STARTER)를 이용하여 엔진의 시동을 개시한다. 이때 본 발명의 시동 제어 방법에 따라 제1차동기어장치의 제1캐리어(C1)의 속도를 엔진 속도와의 동기화에 유리하도록 낮게 제어설정한다. 이때 제1캐리어(C1)의 속도는 상술한 바와 같이 제1모터제너레이터(MG1)와 제2모터제너레이터(MG2) 각각의 속도 한계 및 엔진 속도를 고려하여 결정할 수 있다.

상기 제1모터제너레이터(MG1)의 속도 한계는 상기 S1에서 입력된 정보들 중 제1모터제너레이터(MG1)의 최저 속도와 출력요소(OUTPUT)의 속도 의 함수일 수 있다.

그리고 상기 제2모터제너레이터(MG2)의 속도 한계는 상기 S1에서 입력된 정보들 중 상기 제2모터제너레이터(MG2)의 최대 속도와 출력요소(OUTPUT)의 속도의 함수일 수 있다.

상기 S5의 엔진 시동 제어 모드에서 엔진 시동 후에 엔진 클러치가 체결되고(S6), 엔진이 제1차동기어장치의 제1캐리어(C1)에 연결된다. S5 단계를 통해 제1캐리어(C1)의 속도를 엔진 속도와의 동기화에 용이하도록 낮은 값으로 변경하였으므로 엔진 시동 응답성이 향상된다.

그러면, S7 단계의 동력 분기 모드인 복합 분기 모드로 고속 주행하게 된다. S7 단계의 복합 분기 모드에서의 제1캐리어(C1)의 속도는 엔진 속도와 제1모터제너레이터(MG1)와 제2모터제너레이터(MG2)의 운전 효율을 고려하여 결정된다.

지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 용이하게 선택하여 대체할 수 있다. 또한 당업자는 본 명세서에서 설명된 구성요소 중 일부를 성능의 열화 없이 생략하거나 성능을 개선하기 위해 구성요소를 추가할 수 있다. 뿐만 아니라, 당업자는 공정 환경이나 장비에 따라 본 명세서에서 설명한 방법 단계의 순서를 변경할 수도 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시형태가 아니라 특허청구범위 및 그 균등물에 의해 결정되어야 한다.

1: 제1차동기어장치 3: 제2차동기어장치
ENGINE: 엔진 OUTPUT: 출력요소
MG1: 제1모터제너레이터 MG2: 제2모터제너레이터
S1: 제1선기어 C1: 제1캐리어
R1: 제1링기어 S2: 제2선기어
C2: 제2캐리어 R2: 제2링기어
CL1: 제1클러치 CL2: 제2클러치
BK1: 제1브레이크 BK2: 제2브레이크
EC: 엔진 클러치 BATTERY: 배터리
STARTER: 스타터

Claims

엔진에 연결되고 복수의 부재를 포함하는 제1차동기어장치,
상기 엔진과 상기 제1차동기어장치의 제1부재를 선택적으로 연결하는 제1토크전달기구,
복수의 부재를 포함하되, 상기 복수의 부재는 상기 제1차동기어장치의 제2부재와 상시 연결된 제3부재 및 차량의 구동장치에 연결된 출력요소에 연결되는 제4부재를 포함하는 제2차동기어장치,
상기 제1차동기어장치의 제5부재에 연결된 제1모터제너레이터,
상기 제2차동기어장치의 상기 제3부재에 연결된 제2모터제너레이터,
상기 제1차동기어장치의 상기 제1부재와 상기 제5부재를 선택적으로 연결하는 제2토크전달기구,
상기 제1차동기어장치의 상기 제1부재와 상기 제2차동기어장치의 제6부재를 선택적으로 연결하는 제3토크전달기구,
상기 제1차동기어장치의 상기 제5부재에 연결되어 상기 제5부재의 회전을 구속하는 제4토크전달기구, 및
상기 제2차동기어장치의 상기 제6부재에 연결되어 상기 제6부재의 회전을 구속하는 제5토크전달기구를 포함하고,
상기 제1차동기어장치의 상기 제1부재의 속도는 엔진 기동이 개시되기 전 소정의 기간 동안 제1 속도 범위 내로 감소되는 하이브리드 차량의 변속기.
제 1항에 있어서,
상기 소정의 기간은 상기 엔진이 스타터에 의해 시동이 개시되는 기간인 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 변속기.
제 1항에 있어서,
상기 제1 속도 범위는 상기 제1모터제너레이터와 상기 제2모터제너레이터 각각의 속도 한계(speed constraint) 내에서 상기 엔진의 회전 속도보다 빠른 범위로 결정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 변속기.
제 3항에 있어서,
상기 제1 속도 범위는 상기 엔진 속도보다 크고 상기 제1모터제너레이터와 상기 제2모터제너레이터 각각의 속도 한계 중 작은 값보다 작은 범위인 하이브리드 차량의 변속기.
제 1항에 있어서,
상기 소정의 기간은, 하이브리드 차량의 전기차 모드의 저속 주행 기간에서 엔진 기동 후의 동력 분기 모드의 고속 주행 기간으로 진행되는 변환 기간인 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 변속기.
제 1항에 있어서,
상기 제1부재의 속도는 상기 제1모터제너레이터의 속도 제어를 통해 결정되는 하이브리드 차량의 변속기.
제 1항에 있어서,
상기 제1차동기어장치 및 상기 제2차동기어장치는 각각 유성기어장치로 이루어지고,
상기 제1차동기어장치의 상기 제1 부재, 제2 부재, 및 제5 부재는 각각 제1캐리어, 제1선기어, 및 제1링기어로 이루어지고,
상기 제2차동기어장치의 상기 제 3부재, 제4 부재, 및 제6 부재는 각각 제2선기어, 제2캐리어 및 제2링기어로 이루어지는 하이브리드 차량의 변속기.
제 1항에 있어서,
상기 제1토크전달기구, 제2토크전달기구, 제3토크전달기구는 각각 서로 상대 회전이 가능한 부재 사이를 선택적으로 연결하거나 차단할 수 있는 엔진 클러치, 제1 클러치, 제2 클러치로 구성되고,
상기 제4토크전달기구와 제5토크전달기구 각각은 연결된 부재의 회전을 제한하는 제1브레이크와 제2브레이크로 구성되는 하이브리드 차량의 변속기.
엔진,
적어도 두 개의 모터제너레이터와 적어도 하나의 차동기어장치를 포함하고, 입력축의 속도를 상기 적어도 두 개의 모터제너레이터에 의해 제어하는 하이브리드 차량 변속기,
상기 엔진과 상기 변속기의 입력축 사이에 위치하여 연결하는 토크전달기구, 및
상기 엔진과 연결되어 엔진의 시동을 개시하는 스타터를 포함하는 하이브리드 차량의 시동 제어 방법에 있어서,
상기 엔진의 동력이 요구되지 않는 경우에 상기 토크전달기구의 결합 요소를 해지하고 상기 적어도 두 개의 모터제너레이터의 운전 효율에 따라 상기 변속기의 입력축의 속도를 결정하는 단계, 및
상기 엔진의 동력이 요구되는 경우에 상기 스타터로 엔진을 시동하고, 상기 토크전달기구의 결합요소를 체결하기 위한 소정의 속도 범위로 상기 변속기의 입력축 속도를 조정하며, 상기 토크전달기구의 결합요소가 체결된 이후에는 상기 엔진 속도 및 상기 적어도 두 개의 모터제너레이터의 운전 효율에 따라 상기 변속기의 입력축 속도를 결정하는 단계를 포함하는 하이브리드 차량의 시동 제어 방법.
제 9항에 있어서,
상기 하이브리드 차량의 시동 제어 방법의 각 단계 이전에, 상기 하이브리드 차량 변속기에 입력 정보를 전달하고 상기 엔진의 동력이 필요한지 문의하는 단계를 더 포함하는 하이브리드 차량의 시동 제어 방법.
제 10항에 있어서,
상기 하이브리드 차량 변속기의 입력 정보는, 적어도 엔진의 기동 요구 정보, 변속기의 출력요소(OUTPUT)의 속도, 각 구성 요소의 요구 토크량, 제1모터제너레이터와 제2모터제너레이터의 각 온도, 제1모터제너레이터의 속도, 제2모터제너레이터의 속도, 엔진의 속도, 배터리의 잔존 용량(SOC), 엔진 클러치의 체결 정보를 포함하는 하이브리드 차량의 시동 제어 방법.
제 9항에 있어서,
상기 소정의 속도 범위는, 상기 엔진의 속도 및 상기 변속기의 모터제너레이터 속도 한계 사이의 범위인 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 시동 제어 방법.
제 9항에 있어서,
상기 소정의 속도 범위로 조정된 변속기의 입력축의 속도는 상기 엔진의 최대 속도와 가까운 속도로 제어되어 상기 엔진의 시동 응답시간을 단축하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 시동 제어 방법.
제 9항에 있어서,
상기 엔진 동력이 요구되는 경우에 상기 변속기의 입력축 속도가 상기 소정의 속도 범위로 조정되면 상기 토크전달기구의 결합요소가 체결되는지 확인하는 단계를 더 포함하는 하이브리드 차량의 시동 제어 방법.