KR102602959B1 - 차량의 하이브리드 파워트레인 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 4개의 회전요소를 구비한 복합유성기어장치와; 상기 복합유성기어장치의 두 회전요소에 각각 단속 가능하게 연결된 엔진과; 상기 복합유성기어장치의 나머지 두 회전요소에 각각 연결된 제1모터제너레이터 및 제2모터제너레이터와; 상기 제2모터제너레이터가 연결된 회전요소에서 출력되는 동력을 등속 또는 감속시켜서 출력할 수 있도록 설치된 출력유성기어장치를 포함하여 구성된다.

Description

차량의 하이브리드 파워트레인{HYBRID POWERTRAIN FOR VEHICLE}
본 발명은 차량의 하이브리드 파워트레인에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 동력원으로 엔진과 2개의 모터를 사용하는 하이브리드 파워트레인의 구조에 관한 기술이다.
하이브리드 파워트레인은 차량을 구동하는 동력원으로서 엔진과 모터를 함께 사용하여 차량의 주행상황에 따른 적절한 동력원 작동의 조합으로 차량의 구동효율 향상으로 연비를 향상시키고 원활한 주행 성능을 확보하도록 한다.
따라서, 하이브리드 파워트레인은 차량의 주행상황에 따라 제공할 수 있는 운전모드가 보다 다양하게 구비되어, 차량에게 주어지는 다양한 주행상황 변화에 보다 적합하게 대응하도록 하는 것이 바람직하다.
상기 발명의 배경이 되는 기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 1020170058415 A
본 발명은 차량에게 주어지는 다양한 주행상황에 보다 적합하게 대응할 수 있는 다수의 운전모드를 제공할 수 있도록 하여 차량의 전체 운전영역에서 보다 효율적인 동력전달성능으로 차량의 연비 향상을 극대화하고, 고성능의 출력토크 특성을 가지면서 다이나믹한 운전감을 확보할 수 있도록 한 차량의 하이브리드 파워트레인을 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 차량의 하이브리드 파워트레인은
4개의 회전요소를 구비한 복합유성기어장치와;
상기 복합유성기어장치의 두 회전요소에 각각 단속 가능하게 연결된 엔진과;
상기 복합유성기어장치의 나머지 두 회전요소에 각각 연결된 제1모터제너레이터 및 제2모터제너레이터와;
상기 제2모터제너레이터가 연결된 회전요소에서 출력되는 동력을 등속 또는 감속시켜서 출력할 수 있도록 설치된 출력유성기어장치;
를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 엔진은 제1클러치와 제2클러치에 의해 상기 복합유성기어장치의 두 회전요소에 각각 선택적으로 연결될 수 있도록 설치되고;
상기 제1클러치에 연결된 상기 복합유성기어장치의 회전요소는 제1브레이크에 연결되어 회전이 구속될 수 있도록 구성되며;
상기 제1모터제너레이터에 연결된 상기 복합유성기어장치의 회전요소는 제2브레이크에 연결되어 회전이 구속될 수 있도록 구성될 수 있다.
상기 출력유성기어장치는 3개의 회전요소를 구비하고, 제1회전요소는 상기 복합유성기어장치에 연결되고, 제2회전요소는 출력축에 연결되며, 제3회전요소는 제3브레이크에 의해 고정 가능하게 설치될 수 있다.
상기 출력유성기어장치의 제1회전요소와 제2회전요소 사이에는 제3클러치가 구비되어 상기 제1회전요소와 제2회전요소를 단속할 수 있도록 구성될 수 있다.
상기 복합유성기어장치는
싱글피니언 단순유성기어장치로 이루어진 제1유성기어장치와 제2유성기어장치가 서로의 캐리어와 링기어가 연결되어 투심플(Two-simple) 타입으로 구성될 수 있다.
상기 복합유성기어장치는 제1선기어, 제1캐리어, 제1링기어를 구비한 제1유성기어장치와, 제2선기어, 제2캐리어, 제2링기어를 구비한 제2유성기어장치로 이루어지고;
상기 제1캐리어와 제2링기어가 일체로 연결되며;
상기 제1링기어와 제2캐리어가 일체로 연결되고;
상기 엔진은 상기 제1클러치를 통해 상기 제1캐리어에 연결됨과 아울러 제2클러치를 통해 상기 제2선기어에 연결되고;
상기 제1모터제너레이터는 상기 제1선기어에 연결되며;
상기 제2모터제너레이터는 상기 제2캐리어에 연결될 수 있다.
상기 출력유성기어장치는 상기 제1회전요소인 제3선기어와 상기 제2회전요소인 제3캐리어와 상기 제3회전요소인 제3링기어로 구성되고;
상기 제3선기어는 상기 제2캐리어에 연결되고;
상기 제3링기어는 상기 제3브레이크에 연결되며;
상기 제3캐리어는 상기 제3클러치를 통해 상기 제3선기어에 연결됨과 아울러 상기 출력축에 연결될 수 있다.
상기 복합유성기어장치는 래비뉴(Ravigneaux) 타입으로 구성될 수 있다.
상기 복합유성기어장치는 래비뉴 타입으로 구성되어,
제4선기어에 상기 제1모터제너레이터가 연결되고;
제5선기어에 상기 제2클러치가 연결되며;
제4캐리어에 상기 제1클러치가 연결되고;
제4링기어에 상기 제2모터제너레이터가 연결될 수 있다.
상기 출력유성기어장치는 상기 제1회전요소인 제3선기어와 상기 제2회전요소인 제3캐리어와 상기 제3회전요소인 제3링기어로 구성되고;
상기 제3선기어는 상기 제4링기어에 연결되고;
상기 제3링기어는 상기 제3브레이크에 연결되며;
상기 제3캐리어는 상기 제3클러치를 통해 상기 제3선기어에 연결됨과 아울러 상기 출력축에 연결될 수 있다.
본 발명은 차량에게 주어지는 다양한 주행상황에 보다 적합하게 대응할 수 있는 다수의 운전모드를 제공할 수 있도록 하여 차량의 전체 운전영역에서 보다 효율적인 동력전달성능으로 차량의 연비 향상을 극대화하고, 고성능의 출력토크 특성을 가지면서 다이나믹한 운전감을 확보할 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 차량의 하이브리드 파워트레인의 구성도,
도 2는 도 1의 하이브리드 파워트레인의 작동모드표,
도 3은 도 1의 하이브리드 파워트레인이 EV1단을 구현하는 것을 설명한 도면,
도 4는 도 1의 하이브리드 파워트레인이 EV2단을 구현하는 것을 설명한 도면,
도 5는 도 1의 하이브리드 파워트레인이 제1입력분기1단을 구현하는 것을 설명한 도면,
도 6은 도 1의 하이브리드 파워트레인이 제1입력분기2단을 구현하는 것을 설명한 도면,
도 7은 도 1의 하이브리드 파워트레인이 제2입력분기1단을 구현하는 것을 설명한 도면,
도 8은 도 1의 하이브리드 파워트레인이 제2입력분기2단을 구현하는 것을 설명한 도면,
도 9는 본 발명에 따른 차량의 하이브리드 파워트레인의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명 차량의 하이브리드 파워트레인의 실시예는, 4개의 회전요소를 구비한 복합유성기어장치(CG)와; 상기 복합유성기어장치(CG)의 두 회전요소에 각각 단속 가능하게 연결된 엔진(E)과; 상기 복합유성기어장치(CG)의 나머지 두 회전요소에 각각 연결된 제1모터제너레이터(MG1) 및 제2모터제너레이터(MG2)와; 상기 제2모터제너레이터(MG2)가 연결된 회전요소에서 출력되는 동력을 등속 또는 감속시켜서 출력할 수 있도록 설치된 출력유성기어장치(OPG)를 포함하여 구성된다.
즉, 본 발명은 엔진(E)과 두개의 모터인 제1모터제너레이터(MG1) 및 제2모터제너레이터(MG2)가 상기 복합유성기어장치(CG)에 연결되고, 상기 복합유성기어장치(CG)의 출력은 다시 상기 출력유성기어장치(OPG)에 의해 적절히 변속되어 출력축(OUT)으로 인출될 수 있도록 구성된 것이다.
상기 엔진(E)은 제1클러치(CL1)와 제2클러치(CL2)에 의해 상기 복합유성기어장치(CG)의 두 회전요소에 각각 선택적으로 연결될 수 있도록 설치되고, 상기 제1클러치(CL1)에 연결된 상기 복합유성기어장치(CG)의 회전요소는 제1브레이크(BK1)에 연결되어 회전이 구속될 수 있도록 구성되며, 상기 제1모터제너레이터(MG1)에 연결된 상기 복합유성기어장치(CG)의 회전요소는 제2브레이크(BK2)에 연결되어 회전이 구속될 수 있도록 구성된다.
상기 출력유성기어장치(OPG)는 3개의 회전요소를 구비하고, 제1회전요소는 상기 복합유성기어장치(CG)에 연결되고, 제2회전요소는 출력축(OUT)에 연결되며, 제3회전요소는 제3브레이크(BK3)에 의해 고정 가능하게 설치된 구성이다.
여기서, 상기 출력유성기어장치(OPG)의 제1회전요소와 제2회전요소 사이에는 제3클러치(CL3)가 구비되어 상기 제1회전요소와 제2회전요소를 단속할 수 있도록 구성된다.
도 1의 실시예에서, 상기 복합유성기어장치(CG)는 싱글피니언 단순유성기어장치로 이루어진 제1유성기어장치(PG1)와 제2유성기어장치(PG2)가 서로의 캐리어와 링기어가 연결되어 투심플(Two-simple) 타입으로 구성된다.
즉, 상기 복합유성기어장치(CG)는 제1선기어(S1), 제1캐리어(C1), 제1링기어(R1)를 구비한 제1유성기어장치(PG1)와, 제2선기어(S2), 제2캐리어(C2), 제2링기어(R2)를 구비한 제2유성기어장치(PG2)로 이루어지고, 상기 제1캐리어(C1)와 제2링기어(R2)가 일체로 연결되며, 상기 제1링기어(R1)와 제2캐리어(C2)가 일체로 연결되어 투심플 타입 복합유성기어장치(CG)를 구성하는 것이다.
상기 엔진(E)은 상기 제1클러치(CL1)를 통해 상기 제1캐리어(C1)에 연결됨과 아울러 제2클러치(CL2)를 통해 상기 제2선기어(S2)에 연결되고, 상기 제1모터제너레이터(MG1)는 상기 제1선기어(S1)에 연결되며, 상기 제2모터제너레이터(MG2)는 상기 제2캐리어(C2)에 연결된다.
상기 출력유성기어장치(OPG)는 상기 제1회전요소인 제3선기어(S3)와 상기 제2회전요소인 제3캐리어(C3)와 상기 제3회전요소인 제3링기어(R3)로 구성되고, 상기 제3선기어(S3)는 상기 제2캐리어(C2)에 연결되고, 상기 제3링기어(R3)는 상기 제3브레이크(BK3)에 연결되며, 상기 제3캐리어(C3)는 상기 제3클러치(CL3)를 통해 상기 제3선기어(S3)에 연결됨과 아울러 상기 출력축(OUT)에 연결된 구성이다.
상기한 바와 같이 구성된 차량의 하이브리드 파워트레인은 도 2에 도시된 바와 같이 EV1, EV2의 두 전기차 모드와, 제1입력분기 1단, 제1입력분기 2단, 제2입력분기 1단, 제2입력분기 2단의 4가지 하이브리드 입력분기모드를 구현할 수 있으며, 1단 내지 8단의 변속단을 별도로 구현할 수 있다.
도 3 내지 도 8은 상기한 바와 같은 파워트레인이 전기차 모드와 하이브리드 입력분기모드를 구현하는 것을 설명한 것으로서, 상측은 동력의 흐름을 표시하고 있고, 하측에는 그 상황의 레버선도를 함께 도시하고 있다.
도 3은 EV1단을 도시한 것으로서, 제1브레이크(BK1)와 제3브레이크(BK3)를 체결한 상태이다.
상기 제3브레이크(BK3)가 체결되어 있으므로, 상기 제2모터제너레이터(MG2)에서 동력을 발생시키면, 상기 제3링기어(R3)가 제3브레이크(BK3)에 의해 고정되어 있으므로, 제3선기어(S3)로 전달된 상기 제2모터제너레이터(MG2)의 동력이 제3캐리어(C3)를 통해 감속되어 출력된다.
이때, 상기 제1브레이크(BK1)가 체결되어 있으므로, 상기 제1모터제너레이터(MG1)를 함께 구동하여 상기 제2모터제너레이터(MG2)의 동력을 보조할 수 있다.
여기서, 실질적으로 상기 제1브레이크(BK1)가 체결되지 않은 상태에서도 EV1단을 구현할 수 있다.
즉, 상기 제2모터제너레이터(MG2)는 상기 제3선기어(S3)에 직접 연결된 구성이므로, 상기 복합유성기어장치(CG)의 회전이 구속되지 않는 한 그 상태에 무관하게, 상기 제2모터제너레이터(MG2)만으로 EV1단 구동이 가능한 것이다.
도 2에서 제1브레이크(BK1)의 작동 여부를 괄호로 표현한 것은 상기와 같이 제1브레이크(BK1)를 작동한 상태와 작동하지 않은 상태에서 모두 해당 변속단을 구현할 수 있기 때문이다.
도 4는 EV2단을 구현하는 상태를 도시한 것으로서, 도 3과는 제3브레이크(BK3)를 해제하고 제3클러치(CL3)를 체결한 점이 상이하다.
즉, 상기 제2모터제너레이터(MG2)의 동력은 상기 제3클러치(CL3)가 체결됨에 의해 상기 출력유성기어장치(OPG)의 모든 구성요소가 일체로 회전되어 1:1의 변속비로 제3캐리어(C3)를 통해 인출되어 EV2단을 구현하는 것이다.
상기 제1브레이크(BK1)의 체결과 그에 따른 제1모터제너레이터(MG1)의 구동은 상기 EV1 단과 동일하다.
도 5는 하이브리드 제1입력분기 1단 상태를 도시한 것으로서, 제1클러치(CL1)를 통해 엔진(E)의 동력이 상기 제1캐리어(C1)로 공급되고, 이 동력은 분기되어 상기 제1모터제너레이터(MG1)를 구동하여 발전을 수행함과 아울러 상기 제3선기어(S3)를 구동하여 상기 출력유성기어장치(OPG)에서 1단 변속비로 감속되어 출력축(OUT)으로 인출된다.
이때, 물론, 상기 제2모터제너레이터(MG2)도 엔진(E)의 동력에 의해 발전을 수행할 수도 있지만, 상황에 따라 엔진(E)의 동력을 보조하도록 동력을 발생시키는 것도 가능하다.
도 6은 하이브리드 제1입력분기 2단 상태를 도시한 것으로서, 다른 것은 상기 도 5의 상태와 동일하고, 상기 제3브레이크(BK3)가 해제되고 제3클러치(CL3)가 체결되어 상기 출력유성기어장치(OPG)에서 2단 변속비의 출력을 상기 출력축(OUT)으로 인출하는 점만 상이하다.
도 7은 하이브리드 제2입력분기 1단 상태를 도시한 것으로서, 상기 제2클러치(CL2)를 통해 엔진(E)의 동력이 상기 제2선기어(S2)로 입력된 후, 일부는 상기 제3선기어(S3)를 동해 출력축(OUT)으로 감속되어 전달되고 일부는 상기 제1모터제너레이터(MG1)로 전달되어 발전을 수행할 수 있도록 한다.
물론, 이 상태에서도 상기 제2모터제너레이터(MG2)는 엔진(E)의 동력으로 발전을 수행하도록 할 수도 있고, 상황에 따라 엔진(E)의 동력을 보조하도록 토크를 발생시킬 수도 있을 것이다.
도 8은 하이브리드 제2입력분기 2단 상태를 도시한 것으로서, 다른 것은 상기 도 7의 상태와 동일하고, 상기 제3브레이크(BK3)가 해제되고 제3클러치(CL3)가 체결되어 상기 출력유성기어장치(OPG)에서 2단 변속비의 출력을 상기 출력축(OUT)으로 인출하는 점만 상이하다.
한편, 도 9는 본 발명 차량의 하이브리드 파워트레인의 다른 실시예를 도시한 것으로서, 다른 구성은 상기 도 1의 실시예와 모두 동일하고, 상기 복합유성기어장치(CG)의 구성만이 상이하다.
즉, 도 9의 실시예에서, 상기 복합유성기어장치(CG)는 래비뉴(Ravigneaux) 타입으로 구성된 것이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 상기 복합유성기어장치(CG)는 래비뉴 타입으로 구성되어, 제4선기어(S4)에 상기 제1모터제너레이터(MG1)가 연결되고, 제5선기어(S5)에 상기 제2클러치(CL2)가 연결되며, 제4캐리어(C4)에 상기 제1클러치(CL1)가 연결되고, 제4링기어(R4)에 상기 제2모터제너레이터(MG2)가 연결된 구조이다.
여기서, 상기 출력유성기어장치(OPG)는 상기 제1회전요소인 제3선기어(S3)와 상기 제2회전요소인 제3캐리어(C3)와 상기 제3회전요소인 제3링기어(R3)로 구성되고, 상기 제3선기어(S3)는 상기 제4링기어(R4)에 연결되고, 상기 제3링기어(R3)는 상기 제3브레이크(BK3)에 연결되며; 상기 제3캐리어(C3)는 상기 제3클러치(CL3)를 통해 상기 제3선기어(S3)에 연결됨과 아울러 상기 출력축(OUT)에 연결된 구성이다.
물론, 본 실시예의 구성도 도 2와 같은 작동모드표에 따라 각 변속단을 구현할 수 있는 바, 이에 대한 자세한 설명은 위와 동일하므로 생략한다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
E; 엔진
MG1; 제1모터제너레이터
MG2; 제2모터제너레이터
CG; 복합유성기어장치
OPG; 출력유성기어장치
OUT; 출력축
CL1; 제1클러치
CL2; 제2클러치
BK1; 제1브레이크
BK2; 제2브레이크
BK3; 제3브레이크
CL3; 제3클러치
PG1; 제1유성기어장치
PG2; 제2유성기어장치

Claims (10)

  1. 4개의 회전요소를 구비한 복합유성기어장치와;
    상기 복합유성기어장치의 두 회전요소에 각각 단속 가능하게 연결된 엔진과;
    상기 복합유성기어장치의 나머지 두 회전요소에 각각 연결된 제1모터제너레이터 및 제2모터제너레이터와;
    상기 제2모터제너레이터가 연결된 회전요소에서 출력되는 동력을 등속 또는 감속시켜서 출력할 수 있도록 설치된 출력유성기어장치;
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 파워트레인.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 엔진은 제1클러치와 제2클러치에 의해 상기 복합유성기어장치의 두 회전요소에 각각 선택적으로 연결될 수 있도록 설치되고;
    상기 제1클러치에 연결된 상기 복합유성기어장치의 회전요소는 제1브레이크에 연결되어 회전이 구속될 수 있도록 구성되며;
    상기 제1모터제너레이터에 연결된 상기 복합유성기어장치의 회전요소는 제2브레이크에 연결되어 회전이 구속될 수 있도록 구성된 것
    을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 파워트레인.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 출력유성기어장치는 3개의 회전요소를 구비하고, 제1회전요소는 상기 복합유성기어장치에 연결되고, 제2회전요소는 출력축에 연결되며, 제3회전요소는 제3브레이크에 의해 고정 가능하게 설치된 것
    을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 파워트레인.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 출력유성기어장치의 제1회전요소와 제2회전요소 사이에는 제3클러치가 구비되어 상기 제1회전요소와 제2회전요소를 단속할 수 있도록 구성된 것
    을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 파워트레인.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 복합유성기어장치는
    싱글피니언 단순유성기어장치로 이루어진 제1유성기어장치와 제2유성기어장치가 서로의 캐리어와 링기어가 연결되어 투심플 타입으로 구성된 것
    을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 파워트레인.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 복합유성기어장치는 제1선기어, 제1캐리어, 제1링기어를 구비한 제1유성기어장치와, 제2선기어, 제2캐리어, 제2링기어를 구비한 제2유성기어장치로 이루어지고;
    상기 제1캐리어와 제2링기어가 일체로 연결되며;
    상기 제1링기어와 제2캐리어가 일체로 연결되고;
    상기 엔진은 상기 제1클러치를 통해 상기 제1캐리어에 연결됨과 아울러 제2클러치를 통해 상기 제2선기어에 연결되고;
    상기 제1모터제너레이터는 상기 제1선기어에 연결되며;
    상기 제2모터제너레이터는 상기 제2캐리어에 연결된 것
    을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 파워트레인.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 출력유성기어장치는 상기 제1회전요소인 제3선기어와 상기 제2회전요소인 제3캐리어와 상기 제3회전요소인 제3링기어로 구성되고;
    상기 제3선기어는 상기 제2캐리어에 연결되고;
    상기 제3링기어는 상기 제3브레이크에 연결되며;
    상기 제3캐리어는 상기 제3클러치를 통해 상기 제3선기어에 연결됨과 아울러 상기 출력축에 연결된 것
    을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 파워트레인.
  8. 청구항 4에 있어서,
    상기 복합유성기어장치는 래비뉴 타입으로 구성된 것
    을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 파워트레인.
  9. 청구항 4에 있어서,
    상기 복합유성기어장치는 래비뉴 타입으로 구성되어,
    제4선기어에 상기 제1모터제너레이터가 연결되고;
    제5선기어에 상기 제2클러치가 연결되며;
    제4캐리어에 상기 제1클러치가 연결되고;
    제4링기어에 상기 제2모터제너레이터가 연결된 것
    을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 파워트레인.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 출력유성기어장치는 상기 제1회전요소인 제3선기어와 상기 제2회전요소인 제3캐리어와 상기 제3회전요소인 제3링기어로 구성되고;
    상기 제3선기어는 상기 제4링기어에 연결되고;
    상기 제3링기어는 상기 제3브레이크에 연결되며;
    상기 제3캐리어는 상기 제3클러치를 통해 상기 제3선기어에 연결됨과 아울러 상기 출력축에 연결된 것
    을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 파워트레인.
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