KR102614128B1 - 하이브리드 차량의 파워트레인 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 4개의 회전요소를 구비한 복합유성기어장치; 상기 복합유성기어장치의 회전요소들 중 제1회전요소에 단속 가능하게 연결된 엔진; 상기 복합유성기어장치의 회전요소들 중 상기 제1회전요소에 직결된 제1모터제너레이터; 상기 복합유성기어장치의 회전요소들 중 제2회전요소와 제3회전요소에 각각 단속 가능하게 연결된 제2모터제너레이터; 상기 복합유성기어장치의 회전요소들 중 제4회전요소에 직결된 출력기어; 및 상기 엔진을 고정할 수 있도록 구비된 브레이크;를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 파워트레인이 소개된다.

Description

하이브리드 차량의 파워트레인{POWERTRAIN FOR HYBRID VEHICLE}
본 발명은 엔진과 모터제너레이터를 사용하는 하이브리드 차량의 파워트레인 구조에 관한 것이다.
하이브리드 차량의 파워트레인은 내연기관인 엔진으로부터 발생되는 동력과 전기로 구동되는 모터에서 발생되는 동력을 함께 이용하여 차량을 구동할 수 있도록 구성된다.
상기와 같은 하이브리드 차량의 파워트레인은 기본적으로 엔진이 가지고 있는 토크 특성과 모터가 가지고 있는 토크 특성을 상호 보완적으로 활용하여 차량 운행의 효율성을 향상시킬 수 있도록 하는데, 가급적 차량의 전체 차속 영역에서 고르게 높은 효율을 확보할 수 있을수록 하는 것이 바람직하다.
상기의 배경기술로서 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 10-15002040000 B
본 발명은 상기한 바와 같은 필요성에 따라 안출된 것으로서, 보다 넓은 차속 영역에서 높은 파워트레인 효율을 확보할 수 있도록 함으로써, 차량의 연비를 더욱 향상시킬 수 있도록 한 하이브리드 차량의 파워트레인을 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 4개의 회전요소를 구비한 복합유성기어장치; 상기 복합유성기어장치의 회전요소들 중 제1회전요소에 단속 가능하게 연결된 엔진; 상기 복합유성기어장치의 회전요소들 중 상기 제1회전요소에 직결된 제1모터제너레이터; 상기 복합유성기어장치의 회전요소들 중 제2회전요소와 제3회전요소에 각각 단속 가능하게 연결된 제2모터제너레이터; 상기 복합유성기어장치의 회전요소들 중 제4회전요소에 직결된 출력기어; 및 상기 엔진을 고정할 수 있도록 구비된 브레이크;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 복합유성기어장치의 제3회전요소와 상기 제2모터제너레이터 사이에는 제1클러치가 구비되고; 상기 복합유성기어장치의 제2회전요소와 상기 제2모터제너레이터 사이에는 제2클러치가 구비되며; 상기 복합유성기어장치의 제1회전요소와 상기 엔진 사이에는 제3클러치가 구비될 수 있다.
상기 복합유성기어장치는, 각각 싱글피니언 유성기어장치로 이루어진 제1유성기어장치와 제2유성기어장치로 구성되고; 상기 제2유성기어장치의 제2선기어는 상기 제1회전요소를 구성하고; 상기 제1유성기어장치의 제1선기어는 상기 제2회전요소를 구성하며; 상기 제1유성기어장치의 제1캐리어는 상기 제2유성기어장치의 제2링기어와 직결되어 상기 제3회전요소를 구성하고; 상기 제1유성기어장치의 제1링기어는 상기 제4회전요소를 구성할 수 있다.
상기 복합유성기어장치는, 싱글피니언 유성기어장치로 이루어진 제1유성기어장치와, 더블피니언 유성기어장치로 이루어진 제2유성기어장치로 구성되며; 상기 제2유성기어장치의 제2선기어는 상기 제1회전요소를 구성하며; 상기 제1유성기어장치의 제1선기어는 상기 제2회전요소를 구성하고; 상기 제1유성기어장치의 제1캐리어는 상기 제2유성기어장치의 제2캐리어와 직결되어 상기 제3회전요소를 구성하며; 상기 제1유성기어장치의 제1링기어는 상기 제2유성기어장치의 제2링기어와 직결되어 상기 제4회전요소를 구성할 수 있다.
상기 복합유성기어장치는, 각각 싱글피니언 유성기어장치로 이루어진 제1유성기어장치와 제2유성기어장치로 구성되고; 상기 제1유성기어장치의 제1링기어는 상기 제1회전요소를 구성하고; 상기 제1유성기어장치의 제1선기어는 상기 제2유성기어장치의 제2선기어와 직결되어 상기 제2회전요소를 구성하며; 상기 제2유성기어장치의 제2캐리어는 상기 제3회전요소를 구성하고; 상기 제1유성기어장치의 제1캐리어는 상기 제2유성기어장치의 제2링기어와 직결되어 상기 제4회전요소를 구성할 수 있다.
상기 브레이크는 기어 치합에 의해 엔진을 고정할 수 있도록 구성되고; 상기 제3클러치는 기어 치합에 의해 체결할 수 있도록 구성될 수 있다.
상기한 과제 해결수단을 통해 본 발명은, 보다 넓은 차속 영역에서 높은 파워트레인 효율을 확보할 수 있도록 함으로써, 차량의 연비를 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 파워트레인의 제1실시예를 도시한 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 파워트레인의 작동모드표,
도 3 내지 도 8은 도 1의 파워트레인의 각 모드별 레버선도,
도 9는 본 발명에 따른 파워트레인이 출력분기모드 및 복합분기모드로 동작할 때 변속비에 따른 시스템효율을 도시한 그래프,
도 10은 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 파워트레인의 제2실시예를 도시한 구성도,
도 11 내지 도 16은 도 10의 파워트레인의 각 모드별 레버선도,
도 17은 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 파워트레인의 제3실시예를 도시한 구성도,
도 18 내지 도 23은 도 17의 파워트레인의 각 모드별 레버선도.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1, 10, 17을 참조하면, 본 발명 하이브리드 차량의 파워트레인의 실시예들은 공통적으로, 4개의 회전요소를 구비한 복합유성기어장치(CG); 상기 복합유성기어장치(CG)의 회전요소들 중 제1회전요소(M1)에 단속 가능하게 연결된 엔진(ENG); 상기 복합유성기어장치(CG)의 회전요소들 중 상기 제1회전요소(M1)에 직결된 제1모터제너레이터(MG1); 상기 복합유성기어장치(CG)의 회전요소들 중 제2회전요소(M2)와 제3회전요소(M3)에 각각 단속 가능하게 연결된 제2모터제너레이터(MG2); 상기 복합유성기어장치(CG)의 회전요소들 중 제4회전요소(M4)에 직결된 출력기어(OG); 및 상기 엔진(ENG)을 고정할 수 있도록 구비된 브레이크(BR);를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 복합유성기어장치(CG)의 제3회전요소(M3)와 상기 제2모터제너레이터(MG2) 사이에는 제1클러치(CL1)가 구비되고, 상기 복합유성기어장치(CG)의 제2회전요소(M2)와 상기 제2모터제너레이터(MG2) 사이에는 제2클러치(CL2)가 구비되며, 상기 복합유성기어장치(CG)의 제1회전요소(M1)와 상기 엔진(ENG) 사이에는 제3클러치(CL3)가 구비된 구성이다.
도 1의 제1실시예에서, 상기 복합유성기어장치(CG)는, 각각 싱글피니언 유성기어장치로 이루어진 제1유성기어장치(PG1)와 제2유성기어장치(PG2)로 구성된 것으로, 상기 제2유성기어장치(PG2)의 제2선기어(S2)는 상기 제1회전요소(M1)를 구성하고, 상기 제1유성기어장치(PG1)의 제1선기어(S1)는 상기 제2회전요소(M2)를 구성하며, 상기 제1유성기어장치(PG1)의 제1캐리어(C1)는 상기 제2유성기어장치(PG2)의 제2링기어(R2)와 직결되어 상기 제3회전요소(M3)를 구성하고, 상기 제1유성기어장치(PG1)의 제1링기어(R1)는 상기 제4회전요소(M4)를 구성한다.
도 10의 제2실시예에서, 상기 복합유성기어장치(CG)는, 싱글피니언 유성기어장치로 이루어진 제1유성기어장치(PG1)와, 더블피니언 유성기어장치로 이루어진 제2유성기어장치(PG2)로 구성된 것으로, 상기 제2유성기어장치(PG2)의 제2선기어(S2)는 상기 제1회전요소(M1)를 구성하며, 상기 제1유성기어장치(PG1)의 제1선기어(S1)는 상기 제2회전요소(M2)를 구성하고, 상기 제1유성기어장치(PG1)의 제1캐리어(C1)는 상기 제2유성기어장치(PG2)의 제2캐리어(C2)와 직결되어 상기 제3회전요소(M3)를 구성하며, 상기 제1유성기어장치(PG1)의 제1링기어(R1)는 상기 제2유성기어장치(PG2)의 제2링기어(R2)와 직결되어 상기 제4회전요소(M4)를 구성한다.
도 17의 제3실시예에서, 상기 복합유성기어장치(CG)는, 각각 싱글피니언 유성기어장치로 이루어진 제1유성기어장치(PG1)와 제2유성기어장치(PG2)로 구성된 것으로, 상기 제1유성기어장치(PG1)의 제1링기어(R1)는 상기 제1회전요소(M1)를 구성하고, 상기 제1유성기어장치(PG1)의 제1선기어(S1)는 상기 제2유성기어장치(PG2)의 제2선기어(S2)와 직결되어 상기 제2회전요소(M2)를 구성하며, 상기 제2유성기어장치(PG2)의 제2캐리어(C2)는 상기 제3회전요소(M3)를 구성하고, 상기 제1유성기어장치(PG1)의 제1캐리어(C1)는 상기 제2유성기어장치(PG2)의 제2링기어(R2)와 직결되어 상기 제4회전요소(M4)를 구성한다.
즉, 상기 제1 내지 제3실시예에서 상기 복합유성기어장치(CG)의 구체적인 구성에만 차이가 있고, 나머지 구성은 모두 동일하며, 따라서 각 실시예가 구현하는 작동모드도 도 2와 같이 공통된 작동모드표에 따라 구현되며, 도 9에 도시된 변속비에 따른 효율의 그래프는 제1 내지 제3실시예 모두에 공통된 것이다.
상기 브레이크(BR)는 기어 치합에 의해 엔진(ENG)을 고정할 수 있도록 구성되고, 제3클러치(CL3)는 기어 치합에 의해 체결할 수 있도록 구성될 수 있다.
즉, 브레이크(BR)와 제3클러치(CL3)는 도그클러치나 동기장치와 같이 슬리브가 클러치기어에 체결된 후에는 별도의 조작력을 인가하지 않아도 회전체의 구속상태를 지속적으로 유지할 수 있는 구성으로 이루어지도록 함으로써, 동력 소모를 최소화하여 궁극적으로 차량의 연비향상에 기여할 수 있도록 한 것이다.
상기 제1모터제너레이터(MG1)와 제2모터제너레이터(MG2)는 인버터 및 배터리장치(B)를 통해 연결된다.
도 3은 제1실시예가 EV MODE로 동작하는 상태를 설명한 레버선도로서, 브레이크(BR)가 엔진(ENG)을 고정한 상태에서 제3클러치(CL3)가 체결되어 상기 제1회전요소(M1)가 고정되고, 이때 제2클러치(CL2)가 체결된 상태에서 제2모터제너레이터(MG2)에 의해 구동력을 발생시키면 제2회전요소(M2)에 입력되는 동력이 제4회전요소(M4)로 감속되어 출력기어(OG)를 통해 인출되어 EV MODE를 구현한다.
도 4는 2 MOTOR MODE로서, 제2클러치(CL2)만 체결된 상태에서 제1모터제너레이터(MG1)도 제2모터제너레이터(MG2)와 함께 동력을 발생시켜 2개의 모터제너레이터에 의해 제공된 동력이 상기 제4회전요소(M4)로 감속되어 출력되는 상태로서 차량의 등판 시 등에 사용되는 모드이다.
도 5는 OUTPUT SPLIT MODE #1(제1출력분기모드)로서, 제1클러치(CL1)가 결합되어 제2모터제너레이터(MG2)의 동력이 제3회전요소(M3)에 입력되고, 제3클러치(CL3)가 결합되어 제1모터제너레이터(MG1)가 엔진(ENG)과 직결됨으로써, 상기 엔진(ENG)과, 제1모터제너레이터(MG1) 및 제2모터제너레이터(MG2)의 동력이 복합유성기어장치(CG)를 통해 출력기어(OG)에 연결되는 구성으로서 제1출력분기모드를 구성한다.
도 6은 OUTPUT SPLIT MODE #2(제2출력분기모드)로서, 제2클러치(CL2)가 결합되어 제2모터제너레이터(MG2)의 동력이 제2회전요소(M2)에 입력되고, 제3클러치(CL3)가 결합되어 제1모터제너레이터(MG1)가 엔진(ENG)과 직결됨으로써, 상기 엔진(ENG)과, 제1모터제너레이터(MG1) 및 제2모터제너레이터(MG2)의 동력이 복합유성기어장치(CG)를 통해 출력기어(OG)에 연결되는 구성으로서 제2출력분기모드를 구성한다.
도 7은 후진 모드로서, 상기 제2클러치(CL2) 및 제3클러치(CL3)와 함께 브레이크(BR)가 체결되어 엔진(ENG)은 물론 상기 제1회전요소(M1)가 고정된 상태에서, 상기 제2모터제너레이터(MG2)를 역방향으로 구동하여 상기 출력기어(OG)로 후진 출력을 인출하는 상태이다.
도 8은 REGEN MODE(회생제동모드)로서, 차량의 제동 과정에서 브레이크(BR)가 엔진(ENG)을 고정한 상태에서 제3클러치(CL3)가 체결되어 상기 제1회전요소(M1)가 고정되고, 이때 제2클러치(CL2)가 체결되면 출력기어(OG)에서 역입력되는 회전력이 제2회전요소(M2)를 통해 제2모터제너레이터(MG2)에 의해 입력되면서 발전되어 회생제동모드를 구현하게 된다.
도 9는 상기한 바와 같은 하이브리드 차량의 파워트레인이 제1출력분기모드와 제2출력분기모드를 구현함에 대한 변속비 변화에 따른 동력전달효율의 그래프를 도시한 것으로서, 차속이 상대적으로 저속인 고변속비 구간에서는 제1출력분기모드의 효율이 더 우수하고, 차속이 상대적으로 고속인 저변속비 구간에서는 제2출력분기모드의 효율이 더 우수함을 나타내고 있다.
따라서, 차량의 컨트롤러는 차속 또는 변속비의 변화에 따라 도 9의 MODE CHANGE점에서 작동모드를 변경함으로써, 차량이 보다 넓은 속도 범위에서 상대적으로 높은 효율로 작동하도록 함으로써, 차량의 연비 향상에 기여할 수 있게 되는 것이다.
참고로, 본 발명의 제2실시예와 제3실시예는 상기한 바와 같이 복합유성기어장치(CG)의 구체적 구성에만 차이가 있고, 나머지 구성 및 그 작동은 모두 상기 제1실시예와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.
한편, 본 발명은 상기한 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
ENG : 엔진
CG : 복합유성기어장치
PG1 : 제1유성기어장치
PG2 : 제2유성기어장치
MG1 : 제1모터제너레이터
MG2 : 제2모터제너레이터
M1 : 제1회전요소
M2 : 제2회전요소
M3 : 제3회전요소
M4 : 제4회전요소
OG : 출력기어
BR : 브레이크
CL1 : 제1클러치
CL2 : 제2클러치
CL3 : 제3클러치
S1 : 제1선기어
C1 : 제1캐리어
R1 : 제1링기어
S2 : 제2선기어
C2 : 제2캐리어
R2 : 제2링기어
B : 배터리장치

Claims (6)

  1. 4개의 회전요소를 구비한 복합유성기어장치;
    상기 복합유성기어장치의 회전요소들 중 제1회전요소에 단속 가능하게 연결된 엔진;
    상기 복합유성기어장치의 회전요소들 중 상기 제1회전요소에 직결된 제1모터제너레이터;
    상기 복합유성기어장치의 회전요소들 중 제2회전요소와 제3회전요소에 각각 단속 가능하게 연결된 제2모터제너레이터;
    상기 복합유성기어장치의 회전요소들 중 제4회전요소에 직결된 출력기어; 및
    상기 엔진을 고정할 수 있도록 구비된 브레이크;를 포함하고,
    상기 복합유성기어장치는,
    각각 싱글피니언 유성기어장치로 이루어진 제1유성기어장치와 제2유성기어장치로 구성되고;
    상기 제2유성기어장치의 제2선기어는 상기 제1회전요소를 구성하고;
    상기 제1유성기어장치의 제1선기어는 상기 제2회전요소를 구성하며;
    상기 제1유성기어장치의 제1캐리어는 상기 제2유성기어장치의 제2링기어와 직결되어 상기 제3회전요소를 구성하고;
    상기 제1유성기어장치의 제1링기어는 상기 제4회전요소를 구성하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 파워트레인.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 복합유성기어장치의 제3회전요소와 상기 제2모터제너레이터 사이에는 제1클러치가 구비되고;
    상기 복합유성기어장치의 제2회전요소와 상기 제2모터제너레이터 사이에는 제2클러치가 구비되며;
    상기 복합유성기어장치의 제1회전요소와 상기 엔진 사이에는 제3클러치가 구비된 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 파워트레인.
  3. 삭제
  4. 4개의 회전요소를 구비한 복합유성기어장치;
    상기 복합유성기어장치의 회전요소들 중 제1회전요소에 단속 가능하게 연결된 엔진;
    상기 복합유성기어장치의 회전요소들 중 상기 제1회전요소에 직결된 제1모터제너레이터;
    상기 복합유성기어장치의 회전요소들 중 제2회전요소와 제3회전요소에 각각 단속 가능하게 연결된 제2모터제너레이터;
    상기 복합유성기어장치의 회전요소들 중 제4회전요소에 직결된 출력기어; 및
    상기 엔진을 고정할 수 있도록 구비된 브레이크;를 포함하고,
    상기 복합유성기어장치는,
    싱글피니언 유성기어장치로 이루어진 제1유성기어장치와, 더블피니언 유성기어장치로 이루어진 제2유성기어장치로 구성되며;
    상기 제2유성기어장치의 제2선기어는 상기 제1회전요소를 구성하며;
    상기 제1유성기어장치의 제1선기어는 상기 제2회전요소를 구성하고;
    상기 제1유성기어장치의 제1캐리어는 상기 제2유성기어장치의 제2캐리어와 직결되어 상기 제3회전요소를 구성하며;
    상기 제1유성기어장치의 제1링기어는 상기 제2유성기어장치의 제2링기어와 직결되어 상기 제4회전요소를 구성하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 파워트레인.
  5. 4개의 회전요소를 구비한 복합유성기어장치;
    상기 복합유성기어장치의 회전요소들 중 제1회전요소에 단속 가능하게 연결된 엔진;
    상기 복합유성기어장치의 회전요소들 중 상기 제1회전요소에 직결된 제1모터제너레이터;
    상기 복합유성기어장치의 회전요소들 중 제2회전요소와 제3회전요소에 각각 단속 가능하게 연결된 제2모터제너레이터;
    상기 복합유성기어장치의 회전요소들 중 제4회전요소에 직결된 출력기어; 및
    상기 엔진을 고정할 수 있도록 구비된 브레이크;를 포함하고,
    상기 복합유성기어장치는,
    각각 싱글피니언 유성기어장치로 이루어진 제1유성기어장치와 제2유성기어장치로 구성되고;
    상기 제1유성기어장치의 제1링기어는 상기 제1회전요소를 구성하고;
    상기 제1유성기어장치의 제1선기어는 상기 제2유성기어장치의 제2선기어와 직결되어 상기 제2회전요소를 구성하며;
    상기 제2유성기어장치의 제2캐리어는 상기 제3회전요소를 구성하고;
    상기 제1유성기어장치의 제1캐리어는 상기 제2유성기어장치의 제2링기어와 직결되어 상기 제4회전요소를 구성하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 파워트레인.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 브레이크는 기어 치합에 의해 엔진을 고정할 수 있도록 구성되고;
    상기 제3클러치는 기어 치합에 의해 체결할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 파워트레인.
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