KR20060108130A - 하이브리드 전기 자동차의 동력 전달 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량의 주행 조건에 따라서 구동방법을 가변시킴으로써, 효율적으로 동력을 운용할 수 있고, 배기가스에 의한 환경 오염을 줄일 수 있도록 하는 하이브리드 전기 자동차의 동력 전달 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 연료의 연소에 의해 구동력을 생성하는 엔진과; 상기 엔진의 출력측과 클러치를 매개로 연결되는 입력축; 상기 입력축과 동축상으로 외주에 이격되어 배치되는 제1 유성기어조립체; 상기 제1 유성기어조립체를 구동시키는 제1 모터&발전기유닛; 상기 제1 유성기어조립체와 연결되면서 상기 입력축에 설치되는 제2 유성기어조립체; 상기 제2 유성기어조립체를 구동시키는 제2 모터&발전기유닛; 상기 엔진과 상기 제1,제2 모터&발전기유닛 중에서 적어도 하나 이상으로부터 발생되는 구동력을 적절하게 조합하여 소정의 변속비로 전환시켜 출력하도록 상기 제1 유성기어조립체에 설치되는 출력기어 및; 상기 출력기어로부터 전달되는 구동력을 좌/우측 차륜에 전달하는 디프렌셜을 갖추고; 상기 제1 유성기어조립체는 상기 제1 모터&발전기유닛과 연결되는 제1 선기어와, 상기 제1 선기어와 외접하는 다수의 제1 유성기어를 연결하는 제1 캐리어 및, 상기 제1 유성기어와 외접하는 제1 링기어를 구비하고; 상기 제2 유성기어조립체는 상기 입력축상에 설치되는 제2 선기어와, 상기 제2 선기어와 외접하는 다수의 제2 유성기어를 연결하면서 상기 제2 모터&발전기유닛과 연결되는 제2 캐리어 및, 상기 제2 유성기어와 외접하는 제2 링기어를 구비하며; 상기 제1,제2 유성기어조립체는 상기 제1 캐리어와 상기 제2 링기어를 공유하여 연결되고; 상기 출력기어는 상기 제1 유성기어조립체의 상기 제1 링기어와 연결된 것을 특징으로 한다.

하이브리드, 무단, 변속, 벨트, 유성기어

Description

하이브리드 전기 자동차의 동력 전달 장치{power train for a hybrid electric vehicle}

도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 전기 자동차의 동력 전달 장치의 구성을 도시한 도면.

도 2는 도 1의 동력 전달 장치가 차량의 저속 주행구간에서 작동하는 상태를 도시한 도면.

도 3은 도 1의 동력 전달 장치가 차량의 정속 주행구간에서 작동하는 상태를 도시한 도면.

도 4는 도 1의 동력 전달 장치가 차량의 고속 및 증속 주행시 작동하는 상태를 도시한 도면.

도 5는 도 1의 동력 전달 장치가 저속의 고 토오크시 작동하는 상태를 도시한 도면.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

1-엔진 3-클러치

5-입력축 7-제1 유성기어조립체

9-제1 모터&발전기유닛 11-제2 유성기어조립체

13-제2 모터&발전기유닛 15-출력기어

17-디프렌셜 19-벨트

21-구동축

본 발명은 하이브리드 전기 자동차의 동력 전달 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차량의 주행 조건에 따라 구동 방법을 가변하여 동력의 효율적인 운용이 가능하고, 배기가스에 의한 환경 오염을 줄일 수 있도록 하는 기술에 관한 것이다.

하이브리드 전기 자동차는 엔진에 의한 구동과 전기 모터에 의한 구동을 복합한 차량으로서, 운전자의 필요나 차량의 주행 조건 등에 따라 엔진에 의한 구동과 전기 모터에 의한 구동 및 이들이 적절히 조합된 구동 등의 여러 구동 상태를 적절히 가변하면서 주행 상태를 유지하도록 되어 있다.

하이브리드 전기 자동차의 구동은 HEV(Hybrid Emission Vehicle) 모드와, ZEV(Zero Emission Vehicle) 모드로도 구분되며, 상기 HEV 모드는 엔진의 구동이 이루어지는 주행 모드로서 배기가스의 방출이 필연적인 상태이며, ZEV 모드는 엔진은 구동되지 않고 배터리의 전력을 공급받은 전기 모터의 동력에 의해 구동되는 주행 모드로서 배기가스의 방출이 없는 상태이다.

따라서, 상기와 같은 하이브리드 전기 자동차는 ZEV 모드 주행에 의해 종래의 차량에 비하여 배기가스에 의한 대기오염을 줄일 수 있다.

한편, 상기 하이브리드 전기 자동차에는 발전기가 탑재되어 있어서, 엔진에 의한 구동이 이루어지는 상태 또는 차량의 관성 주행시에 상기 발전기에서 발생되는 전기로 배터리를 충전할 수 있도록 되어 있다.

본 발명은 차량의 주행 조건에 따라서 구동방법을 가변시킴으로써, 효율적으로 동력을 운용할 수 있고, 배기가스에 의한 환경 오염을 줄일 수 있도록 한 하이브리드 전기 자동차의 동력 전달 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 연료의 연소에 의해 구동력을 생성하는 엔진과;

상기 엔진의 출력측과 클러치를 매개로 연결되는 입력축;

상기 입력축과 동축상으로 외주에 이격되어 배치되는 제1 유성기어조립체;

상기 제1 유성기어조립체를 구동시키는 제1 모터&발전기유닛;

상기 제1 유성기어조립체와 연결되면서 상기 입력축에 설치되는 제2 유성기어조립체;

상기 제2 유성기어조립체를 구동시키는 제2 모터&발전기유닛;

상기 엔진과 상기 제1,제2 모터&발전기유닛 중에서 적어도 하나 이상으로부터 발생되는 구동력을 적절하게 조합하여 소정의 변속비로 전환시켜 출력하도록 상기 제1 유성기어조립체에 설치되는 출력기어 및;

상기 출력기어로부터 전달되는 구동력을 좌/우측 차륜에 전달하는 디프렌셜을 갖추고;

상기 제1 유성기어조립체는 상기 제1 모터&발전기유닛과 연결되는 제1 선기어와, 상기 제1 선기어와 외접하는 다수의 제1 유성기어를 연결하는 제1 캐리어 및, 상기 제1 유성기어와 외접하는 제1 링기어를 구비하고;

상기 제2 유성기어조립체는 상기 입력축상에 설치되는 제2 선기어와, 상기 제2 선기어와 외접하는 다수의 제2 유성기어를 연결하면서 상기 제2 모터&발전기유닛과 연결되는 제2 캐리어 및, 상기 제2 유성기어와 외접하는 제2 링기어를 구비하며;

상기 제1,제2 유성기어조립체는 상기 제1 캐리어와 상기 제2 링기어를 공유하여 연결되고;

상기 출력기어는 상기 제1 유성기어조립체의 상기 제1 링기어와 연결된 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명한다.

본 발명은 도 1에 도시된 바와 같이, 연료의 연소에 의해 구동력을 생성하는 엔진(1)과, 상기 엔진(1)의 출력측인 크랭크 축(도시안됨)과 클러치(3)를 매개로 연결되어 선택적인 동력의 전달이 가능하도록 설치된 입력축(5), 상기 입력축(5)과 동축상으로 외주에 이격되어 배치되는 제1 유성기어조립체(7), 상기 제1 유성기어조립체(7)를 배터리(도시안됨)의 전원에 의해 구동시키는 제1 모터&발전기유닛(9), 상기 제1 유성기어조립체(7)와 대향되어 이격된 위치에서 연결되면서 상기 입력축(5)에 설치되어 상기 입력축(5)의 회전과 직접적으로 연동하는 제2 유성기어조립체(11), 상기 제2 유성기어조립체(11)를 배터리의 전원에 의해 구동시키는 제2 모터&발전기유닛(13), 상기 엔진(1)과 상기 제1,제2 모터&발전기유닛(9,13) 중에서 적어도 하나 이상으로부터 발생되는 구동력을 적절하게 조합하여 소정의 변속비로 전환시켜 출력하도록 상기 제2 유성기어조립체(11)에 설치되는 출력기어(15) 및, 상기 출력기어(15)로부터 전달되는 구동력을 좌/우측 차륜에 전달하는 디프렌셜(17)을 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 제1 유성기어조립체(7)는 상기 제1 모터&발전기유닛(9)과 연결되는 제1 선기어(7a)와, 상기 제1 선기어(7a)와 외접하는 다수의 제1 유성기어(7b)를 연결하는 제1 캐리어(7c)및, 상기 다수의 제1 유성기어(7b)와 외접하는 제1 링 기어(7d)를 구비하고 있다.

그리고, 상기 제2 유성기어조립체(11)는 상기 입력축(5)상에 설치되는 제2 선기어(11a)와, 상기 제2 선기어(11a)와 외접하는 다수의 제2 유성기어(11b)를 연결하면서 상기 제2 모터&발전기유닛(13)과 연결되는 제2 캐리어(11c) 및, 상기 다수의 제2 유성기어(11b)와 외접하는 제2 링기어(11d)를 구비하고 있다.

이 경우, 상기 제1,제2 유성기어조립체(7,11)는 상기 제1 캐리어(7c)와 상기 제2 링기어(11d)를 상호 공유하여 연결되고, 상기 출력기어(15)는 상기 제1 유성기어조립체(7)의 상기 제1 링기어(7d)와 연결된다.

또한, 상기 출력기어(15)는 상기 디프렌셜(17)의 입력기어(17a)와 벨트(19)를 매개로 연결되어 있어, 상기 출력기어(15)를 통해 전달되는 구동력은 상기 벨트(19)를 거쳐 상기 디프렌셜(17)의 입력기어(17a)에 전달되어진다.

이 경우, 상기 디프렌셜(17)의 입력기어(17a)는 디프렌셜 하우징(17b)과 결합되고, 상기 디프렌셜 하우징(17b)에는 다수의 유성기어(17c)가 공전 및 자전이 자유롭게 설치되며, 상기 다수의 유성기어(17c)에는 2개의 좌/우측 사이드 기어(17d)가 치합되는 한편, 상기 좌/우측 사이드 기어(17d)에는 좌/우측 차륜(W)과 연결되는 구동축(21)이 각각 설치되어 있다.

한편, 상기 클러치(3)는 유압 구동식의 다판 클러치로 구성되어, 유압에 의한 동작으로 상기 엔진(1)의 출력측과 상기 입력축(5) 사이의 동력 전달을 가능하게 하거나, 상기 클러치(3)는 전기 구동식의 마그네틱 클러치로 이루어져, 전원의 인가에 따른 동작으로 상기 엔진(1)의 출력측과 상기 입력축(5) 사이의 동력 전달 을 가능하게 한다.

그리고, 상기 엔진(1)의 구동 제어는 엔진제어유닛(도시안됨)에 의한 제어로 이루어지고, 상기 제1,제2 모터&발전기유닛(9,13)의 정/역 및 중립의 구동 제어는 모터제어유닛(도시안됨)에 의해 이루어지며, 상기 엔진제어유닛과 상기 모터제어유닛의 제어는 각각 시스템제어유닛(도시안됨)에 의해 이루어지는 한편, 상기 시스템제어유닛은 운전자에 의한 변속 레인지의 선택 정보와 가속과 제동 및 조향 그리고 차속 등에 대한 주행 정보를 각각 입력유닛(도시안됨)으로부터 전달받도록 되어 있다.

또한, 상기 클러치(3)의 작동 및 해제에 대한 제어는 상기 시스템제어유닛에 의해 이루어진다.

상기한 바와 같이 구성된 본 발명의 작용을 차량의 주행상태에 따라 구분하여 설명하면 다음과 같다. 각각의 경우에 있어 구동력의 전달 경로는 이해의 편의를 위해 도면에서 각각 굵은 선으로 표시하기로 하고, 발전기로의 동력 전달 경로는 각각 점선으로 표시하기로 한다.

먼저, 차량의 기동시에는 상기 제1 모터&발전기유닛(9) 내지 상기 제2 모터&발전기유닛(13) 중 어느 하나의 구동에 의해 발생된 구동력을 매개로 차륜(W)이 회전하게 된다.

이어, 차량이 저속 주행구간, 예컨대 0~40Km/h 정도의 속도구간에서 구동력이 차륜(W)으로 전달되는 경로를 도 2를 참조하여 살펴보면 다음과 같다.

즉, 이 구간에서는 상기 엔진(1)은 정지된 상태이고, 상기 제2 모터&발전기유닛(13)만이 동력원으로서 작동되어진다.

이때, 상기 제2 모터&발전기유닛(13)으로부터 발생된 구동력의 전체를 상기 차륜(W)을 구동하는 데에 사용할 수도 있고, 구동력중 일부만을 차륜(W)을 구동하는 데에 사용하고, 나머지 일부는 상기 제1 모터&발전기유닛(9)을 통해 전기를 발생시켜 배터리를 충전하는 데 사용할 수도 있다.

다음으로, 차량의 차속이 약 40Km/h 이상이고, 정속의 주행으로 운전중인 구간에서는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 엔진(1)만이 단독으로 구동되어 차륜(W)에 동력을 전달하게 된다. 이때, 필요시 상기 제1 모터&발전기유닛(9)의 구동도 이루어질 수 있는 데, 본 실시예에서는 상기 엔진(1)의 단독 구동에 국한되어 설명하기로 한다.

즉, 상기 엔진(1)만이 구동력을 발생시키고, 그 동력은 제1,제2 유성기어조립체(7,11)를 통해 상기 출력기어(15)로 출력되어, 상기 디프렌셜(17)을 통해 좌/우측 구동축(21)으로 전달된다.

이때, 상기 엔진(1)의 구동에 따라 발생된 동력중 일부는 상기 제2 선기어(11a)를 통해 제2 모터&발전기유닛(13)으로 입력됨과 동시에 상기 제1 선기어(7a)를 통해 제1 모터&발전기유닛(9)으로 입력되어져, 상기 제1,제2 모터&발전기유닛(9,13)을 통해 전기를 발생시켜 배터리를 충전할 수 있게 된다.

이 경우, 상기 클러치(3)는 체결 상태임은 물론이다.

이와 같이, 정속의 주행 구간에서 상기 엔진(1)으로부터 발생된 구동력이 상 기 제1,제2 모터&발전기유닛(9,13)으로 동시에 전달되어 이들을 발전기로 이용할 수 있는 것은, 상기 제1 유성기어조립체(7)의 제1 캐리어(7c)와 상기 제2 유성기어조립체(11)의 제2 링기어(11d)가 상호 공유하는 상태이므로 가능한 것이다.

이 상태에서는, 상기 엔진(1)만이 구동력을 발생시키고, 그 동력은 차륜(W)의 구동과 제1 모터&발전기유닛(9) 및 제2 모터&발전기유닛(13)의 전력 발전에 사용되는 것이다.

다음으로, 차량의 고속 및 증속 주행시에는 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 엔진(1)과 상기 제1 모터&발전기유닛(9)에서 차륜(W)에 제공되는 구동력을 발생시키게 된다.

즉, 상기 엔진(1)에서 발생되는 동력은 체결 상태의 클러치(3)를 통해 입력축(5)으로 전달되고, 상기 입력축(5)으로 전달된 동력은 제2 유성기어조립체(11)의 제2 선기어(11a)와 제2 유성기어(11b)을 거쳐 제2 링기어(11d)로 출력된다.

그리고, 상기 제1 모터&발전기유닛(9)에서 발생되는 동력은 제1 유성기어조립체(7)의 제1 선기어(7a)를 통해 제1 링기어(7d)로 전달된다.

이때, 상기 제2 유성기어조립체(11)의 제2 링기어(11d)는 상기 제1 유성기어조립체(7)의 제1 캐리어(7c)와 연결된 상태이므로, 상기 엔진(1)의 동력과 상기 제1 모터&발전기유닛(9)의 동력은 각각 상기 제1 캐리어(7c)에서 합류되고, 합류된 동력은 제1 링기어(7d)를 지나 출력기어(15)로 전달된다.

이후, 상기 출력기어(15)로 출력된 동력은 상기 디프렌셜(17)을 통해 좌/우측 구동축(21)으로 전달된다.

이 상태에서는, 상기 엔진(1)과 상기 제1 모터&발전기유닛(9)이 동시에 구동력을 발생시키고, 그 동력중 일부는 차륜(W)의 구동에 소모되고, 나머지 일부는 상기 제2 모터&발전기유닛(13)의 전력 발전에 사용되는 것이다.

다음으로, 차량이 등판시와 같이 저속으로 주행하지만 높은 토오크가 필요한 경우에는 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 엔진(1)에서 발생된 구동력과 상기 제2 모터&발전기유닛(13)에서 발생된 구동력이 차륜(W)에 전달되는 동력 전달 상태를 가진다.

즉, 상기 엔진(1)에서 발생되는 동력은 체결 상태의 클러치(3)를 통해 입력축(5)으로 전달되고, 상기 제2 모터&발전기유닛(13)에서 발생되는 동력은 제2 유성기어조립체(11)의 제2 선기어(11a)와 제2 캐리어(11c)를 통해 출력기어(15)로 전달된다.

이때, 상기 입력축(5)은 제2 선기어(11a)와 연결된 상태이므로, 상기 엔진(1)에서 발생된 동력은 상기 입력축(5)을 지나 상기 제2 유성기어조립체(11)의 제2 링기어(11d)로 합류되고, 합류된 동력은 제1 유성기어조립체(7)의 제1 링기어(7d)를 지나 출력기어(15)로 전달된다.

이후, 상기 출력기어(15)로 출력된 동력은 상기 디프렌셜(17)을 통해 좌/우측 구동축(21)으로 전달된다.

이 상태에서는, 상기 엔진(1)과 상기 제2 모터&발전기유닛(13)이 동시에 구동력을 발생시키고, 그 동력중 일부는 차륜(W)의 구동에 소모되고, 나머지 일부는 상기 제1 모터&발전기유닛(9)의 전력 발전에 사용되는 것이다.

이상과 같은 각 주행 상태에 따른 엔진(1)과 제1 모터&발전기유닛(9) 및 제2 모터&발전기유닛(13)의 작동 모드를 비교하여 도표화하면 다음과 같다.

	엔진	제1모터&발전기유닛	제2모터&발전기유닛
저속 구간	정지	-	모터
정속 구간	가동	발전기	발전기
고속/증속 구간	가동	모터	발전기
저속 고토오크 구간	가동	발전기	모터

이상과 같이 본 발명에 의하면, 차량의 주행 조건에 따라서 엔진과 제1 모터&발전기유닛 및 제2 모터&발전기유닛의 구동상태를 가변시킴으로써, 동력의 효율적인 운용이 가능하며, 엔진의 구동을 최소화함으로써 배기가스에 의한 환경오염을 줄일 수 있도록 한다.

또한, 본 발명은 엔진과 모터&발전기유닛의 회전수 및 토오크 제어를 통해 무단으로 속도를 증,감속시킬 수 있으므로, 변속시 충격이 전혀 없고, 속도의 선형성이 유지되어 운전의 정숙성을 최대한 발휘할 수 있다.

그리고, 구동력의 전달 측면에서 볼 때, 출력기어와 체인을 매개로 디프렌셜이 동작되므로, 동력의 손실이 기존의 무단 변속기에 비해 우수하고, 전달 토오크의 범위도 크기 때문에 차종에 무관하게 적용이 가능하다.

또한, 모터&발전기유닛의 동력이 엔진의 동력을 보완할 수 있으므로, 기존의 변속기에 비해 토오크의 발생 정도를 극대화시킬 수 있고, 순간 토오크의 발생이 가능하게 된다. 즉, 모터는 저속에서 토오크 특성이 높고, 엔진은 고속에서 토오크 가 높으므로, 상호 보완의 효과를 발휘하여 차량의 이상 토오크 곡선의 재현이 가능하다. 이로 인해 엔진의 부담을 상당 부분 덜 수 있게 되고, 이 결과 엔진의 수명 연장은 물론, 배출가스의 저감에 따른 환경 문제를 해소할 수 있게 된다.

Claims (4)

1. 연료의 연소에 의해 구동력을 생성하는 엔진과;

   상기 엔진의 출력측과 클러치를 매개로 연결되는 입력축;

   상기 입력축과 동축상으로 외주에 이격되어 배치되는 제1 유성기어조립체;

   상기 제1 유성기어조립체를 구동시키는 제1 모터&발전기유닛;

   상기 제1 유성기어조립체와 연결되면서 상기 입력축에 설치되는 제2 유성기어조립체;

   상기 제2 유성기어조립체를 구동시키는 제2 모터&발전기유닛;

   상기 엔진과 상기 제1,제2 모터&발전기유닛 중에서 적어도 하나 이상으로부터 발생되는 구동력을 적절하게 조합하여 소정의 변속비로 전환시켜 출력하도록 상기 제1 유성기어조립체에 설치되는 출력기어 및;

   상기 출력기어로부터 전달되는 구동력을 좌/우측 차륜에 전달하는 디프렌셜을 갖추고;

   상기 제1 유성기어조립체는 상기 제1 모터&발전기유닛과 연결되는 제1 선기어와, 상기 제1 선기어와 외접하는 다수의 제1 유성기어를 연결하는 제1 캐리어 및, 상기 제1 유성기어와 외접하는 제1 링기어를 구비하고;

   상기 제2 유성기어조립체는 상기 입력축상에 설치되는 제2 선기어와, 상기 제2 선기어와 외접하는 다수의 제2 유성기어를 연결하면서 상기 제2 모터&발전기유닛과 연결되는 제2 캐리어 및, 상기 제2 유성기어와 외접하는 제2 링기어를 구비하 며;

   상기 제1,제2 유성기어조립체는 상기 제1 캐리어와 상기 제2 링기어를 공유하여 연결되고;

   상기 출력기어는 상기 제1 유성기어조립체의 상기 제1 링기어와 연결된 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차의 동력 전달 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 출력기어는 상기 디프렌셜측 입력기어와 벨트를 매개로 연결된 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차의 동력 전달 장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 디프렌셜측 입력기어는 디프렌셜 하우징과 결합되고, 상기 디프렌셜 하우징에는 다수의 유성기어가 공전 및 자전이 자유롭게 설치되며, 상기 유성기어에는 좌/우측 사이드 기어가 치합되는 한편, 상기 좌/우측 사이드 기어에는 좌/우측 차륜과 연결되는 구동축이 각각 설치된 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차의 동력 전달 장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 클러치는 유압 구동식의 다판 클러치로 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차의 동력 전달 장치.

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