KR20070084657A - 하이브리드 전기 자동차 및 그 제어방법 - Google Patents

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KR20070084657A
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조성태
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 유성기어셋트의 캐리어와 연결되는 엔진과, 유성기어 셋트의 선기어와 연결되는 제1모터와, 상기 선기어와 제1모터 사이에 연결되는 회전축과 변속기 하우징 사이에 설치되는 클러치와, 상기 유성기어 셋트의 링기어와 연결되는 제2모터와, 상기 링기어와 바퀴가 연결되는 구동축 사이에 연결되어 링기어의 동력을 구동축으로 전달하는 동력 전달장치로 구성되어, 효율을 향상시키고 연비를 최대화할 수 있는 하이브리드 전기 자동차를 제공한다.
하이브리드카, 하이드브리드, 전기자동차, 하이브리드자동차

Description

하이브리드 전기 자동차 및 그 제어방법 { HYBRID ELECTRIC VEHICLE AND THE CONTROL METHOD }
도 1은 종래 기술의 일 실시예에 따른 하이브리드 전기 자동치의 구성도이다.
도 2는 종래 기술의 제2실시예에 따른 하이브리드 전기 자동차의 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 전기 자동차의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 하이브리드 전기 자동차가 모터 모드일 경우의 작동 상태도이다.
도 5는 본 발명에 따른 하이브리드 전기자동차가 감속 모드일 경우 작동 상태도이다.
도 6은 본 발명에 따른 하이브리드 전기자동차가 증속 모드일 경우 작동 상태도이다.
도 7은 본 발명에 따른 하이브리드 전기자동차가 직결 모드일 경우 작동 상태도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 캐리어 12 : 엔진
14 : 선기어 16 : 제1모터
18 : 회전축 20 : 클러치
24 : 링기어 26 : 제2모터
30 : 구동축 32 : 회전축
34 : 출력축 50 : 배터리
본 발명은 하이브리드 전기 자동차에 관한 것으로, 보다 상세하게는 동력전달계통의 최적화하여 연비를 향상시킬 수 있는 하이브리드 전기 자동차에 관한 것이다.
일반적으로 하이브리드 전기 자동차는
석유 연료를 사용하는 엔진과 배터리를 동력원으로 사용하는 모터를 함께 장착하여 연비를 높이고 배기 가스를 절감시켜 환경을 보호하는 차량이다.
도 1은 종래 기술의 일 실시예에 따른 하이브리드 전기 자동차의 구성도이다.
종래 기술의 일 실시예에 따른 하이브리드 전기 자동차는 엔진(102)과 모터(104)가 각각 병렬로 배치되고, 상기 엔진(102)과 모터(104)가 하나의 출력축(110)으로 연결되고 상기 출력축(110)은 변속기(108)와 클러치(106)에 의해 연결된다. 그리고, 변속기(108)는 바퀴가 연결되는 구동축(112)과 연결된다.
이와 같은 일 실시예에 따른 하이브리드 전기 자동차는 엔진(102)과 모터(104)가 하나의 출력축(110)으로 연결되어 서로 분리할 수 없기 때문에 전기 자동차 모드를 구현할 수 없으며, 회생 제동시에도 엔진(102)의 관성 및 마찰 부하가 그대로 적용되므로 효율이 저하되는 문제점이 발생된다.
특히, 클러치(106)에 엔진(102)과 모터(104)의 동력이 모두 전달되므로 클러치(106)의 토크 전달용량이 매우 커지게 되고 이에 따라 저속시 클러치(106) 결합 토크 확보를 위해 일정 수준 이상의 유압 펌프를 필요로 하게 되어 차량 전체의 효율을 저하시키는 문제점이 발생된다.
도 2는 종래 기술에 제2실시예에 따른 하이브리드 전기 자동차의 구성도이다.
제2실시예에 따른 하이브리드 전기 자동차는 상기 일 실시예와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 엔진(120)과 제1모터(122) 및 제2모터(124)가 유성기어세트(126)에 장착되고 구동축(130)과 유성기어세트(126)가 연결되어, 제1모터(122)와 제2모터(124)의 제어만으로 엔진(120)을 동력전달계통에서 분리시킬 수 있어 유해 배기가스를 거의 발생시키지 않는 ZEV(Zero Emission Vehicle) 모드가 가능할 뿐 아니라 유성기어세트(126) 자체의 특성을 이용하여 무단 변속까지 구현이 가능 한 장점이 있다.
그러나, 상기한 바와 같은 제2실시예에 따른 하이브리드 전기 자동차는 출력 속도 및 토크 제어를 하기 위해서는 엔진(120)의 동력을 제1모터(122)로 흡수하여, 다시 이를 제2모터(124)로 공급하여 구동하는 직렬형 모드를 빈번하게 사용하여야 되기 때문에 효율이 저하되는 문제점이 있다.
또한, 이를 방지하기 위해 제1모터(122)의 속도를 제로(0) 상태로 유지하여 엔진의 동력을 모두 출력축으로 직접 공급하도록 제어하는 것은 가능하지만, 이러한 경우 제1모터(122)의 속도를 제로(0)로 유지시키기 위하여 많은 전기 에너지가 소모되는 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 상기와 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로써, 본 발명의 목적은 엔진과 모터 사이의 동력 전달계통을 개선하여 효율을 향상시키고 연비를 최대화할 수 있는 하이브리드 전기 자동차를 제공하는 데 있다.
이를 실현하기 위하여 본 발명에 따른 하이브리드 전기 자동차는 유성기어셋트의 캐리어와 연결되는 엔진과, 유성기어 셋트의 선기어와 연결되는 제1모터와, 상기 선기어와 제1모터 사이에 연결되는 회전축과 변속기 하우징 사이에 설치되는 클러치와, 상기 유성기어 셋트의 링기어와 연결되는 제2모터와, 상기 링기어와 바 퀴가 연결되는 구동축 사이에 연결되어 링기어의 동력을 구동축으로 전달하는 동력 전달장치를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 동력 전달장치는 상기 링기어에 장착되는 구동기어와 상기 구동축에 장착되는 피동기어와, 상기 구동기어와 피동기어 사이에 연결되는 연결체인으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 하이브리드 전기자동차의 제어방법은 엔진, 제1모터, 제2모터 및 상기 엔진, 제1모터 및 제2모터와 구동축 사이를 연결하는 유성기어세트와, 상기 제1모터의 회전축에 설치되는 클러치로 구성되어, 상기 제1모터와 제2모터 중 어느 하나의 회전력만을 사용하여 구동축을 구동시키는 모터 모드와, 엔진과 제1모터와 제2모터 중 어느 하나를 동시에 사용하여 구동축을 구동시키는 하이브리드 모드로 작동되고, 상기 하이브리드 모드는 엔진의 속도보다 구동축의 속도가 낮을 때 사용되는 감속모드와, 엔진의 속도보다 구동축의 속도가 높을 때 사용되는 증속모드와, 엔진의 속도와 구동축의 속도가 동일할 때 사용되는 직결모드로 구성되는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의하여 보다 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 전기 자동차의 구성도이다.
본 발명에 따른 하이브리드 전기 자동차는 유성기어셋트의 캐리어(10)와 연결되는 엔진(12)과, 유성기어 셋트의 선기어(14)와 연결되는 제1모터(16)와, 상기 선기어(14)와 제1모터(16) 사이에 연결되는 회전축(18)과 변속기 하우징(22) 사이 에 설치되는 클러치(20)와, 상기 유성기어 셋트의 링기어(24)와 연결되는 제2모터(26)와, 상기 링기어(24)와 바퀴가 연결되는 구동축(30) 사이에 연결되어 링기어(24)의 동력을 구동축(30)으로 전달하는 동력 전달장치로 구성된다.
상기 동력 전달장치는 상기 링기어(24)에 장착되는 구동기어(40)와 상기 구동축(30)에 장착되는 피동기어(42)와, 상기 구동기어(40)와 피동기어(42) 사이에 연결되는 연결체인(44)으로 구성된다. 상기 동력 전달장치는 상기한 구조 이외에 링기어에 장착되는 구동기어와 차동장치에 장착되는 피동기어가 직접 기어물림으로 연결될 수 있다.
상기 유성기어 셋트는 내측에 배치되고 제1모터(16)의 회전축(18)이 연결되는 선기어(14)와 외측에 배치되고 그 일측은 제2모터(26)의 회전축(32)이 연결되고, 타단에는 구동기어(40)가 장착되어 구동축(30)으로 동력을 전달하는 선기어(24)와, 상기 선기어(14)와 링기어(24) 사이에 기어 물림된 유성기어들 사이에 연결되고 엔진(12)의 출력축(34)이 연결되는 캐리어(10)로 구성된다.
상기 제1모터(16)와 제2모터(26)는 각각 배터리(미도시)와 연결되어 배터리의 전원이 전달되면 유성기어세트를 통해 구동축(30)을 회전시키고 엔진(12)에 의해 회전축(18,32)이 회전되면 제너레이터로 작동되어 배터리를 충전시킨다.
이와 같은 하이브리드 전기 자동차는 모터(16,26)의 회전력만을 사용하여 구동축(30)을 구동시키는 모터 모드와, 엔진(12)과 모터(16,26)를 동시에 사용하여 구동축을 구동시키는 하이브리드 모드로 작동된다.
상기 하이브리드 모드는 엔진(12)의 속도보다 구동축(30)의 속도가 낮을 때 사용되는 감속모드와, 엔진(12)의 속도보다 구동축(30)의 속도가 높을 때 사용되는 증속모드와, 엔진(12)의 속도와 구동축(30)의 속도가 동일할 때 사용되는 직결모드로 구성된다.
여기에서, 상기 감속모드일 경우의 동력 전달계통은 엔진(12)의 속도를 감속하고 토크는 증대시켜 구동축(30)으로 전달하게 된다. 그리고, 상기 증속모드일 때 동력전달계통은 엔진(12)의 속도는 증속하고 토크는 감소시켜 구동축(30)으로 전달하게 된다. 그리고, 직결모드일 때 동력 전달계통은 엔진(12)의 속도와 토크를 그대로 구동축(30)으로 전달하게 된다.
이와 같이, 차량의 구동 중 감속모드, 증속모드 및 직결모드의 판단은 무단 자동변속기와 유사한 방식으로 제어기에서 행해진다. 즉, 무단 자동변속기와 동일하게 개발된 엔진의 최적 운전점을 기준으로 하여 현재 차량의 구동상황을 비교한 후 제어기에서 감속모드, 증속모드, 직결모드로의 판단하여 각 모드에 맞게 엔진(12), 제1모터(16), 제2모터(26) 및 클러치(20)를 제어한다.
상기한 바와 같이 구성되는 본 발명에 따른 하이브리드 전기 자동차의 작용을 다음에서 설명한다.
도 4 내지 도 7은 본 발명에 따른 하이브리드 전기 자동차의 작동 상태도이다.
먼저, 모터 모드인 경우, 도 4에 도시된 바와 같이, 제2모터(26)의 동력만 구동축이 구동된다. 즉, 엔진(12)과 제1모터(16)를 운전되지 않는 상태를 유지하고, 제2모터(26)로만 배터리(50)의 전원이 인가되면 제2모터(26)가 구동되어 제2모 터(26)의 회전축(32)의 회전력이 링기어(24)를 통해 구동축(30)으로 전달된다.
이때, 제2모터(26)의 토크량은 오직 운전자의 액셀 패달을 개도량에 의해서만 결정된다. 그리고, 액셀 패달 개도량에 따른 제2모터(26)의 토크량의 정의 및 식은 아래와 같다.
Tm=Tm_max(Wm)*APS
(Tm : 모터 토크량, Wm : 모터 속도, Tm_max : 현제 모터속도에서의 최대 모터 토크량, APS : 운전자에 의한 액셀 패달 개도량)
그리고, 엔진의 사용가능한 운전 속도는 식(1)과 같은 속도 점들의 집합으로 표현할 수 있다.
ωe = [ω1, ω2,.......ωn] ω1 ≥ωmin , ωn ≤ ωman 식(1)
이때 엔진의 운전 토크 는 식(2)와 같이 결정된다.
Te = P/ωe 식(2)
엔진속도 ωi, 토크가 Ti 일 때의 연료소모량을 fci 로 정의하면, 각 엔진의 운전점에 대해 다음 식 (3)과 같이 연료 소모량의 순서쌍을 결정할 수 있다.
(ωi, Ti , fci) 식(3)
시스템 전체의 연비를 최적화 하기위해서는 제1모터, 제2모터의 운전에 대한 동력전달 효율을 고려해야 한다.
하이브리드 모드의 증속모드는 도 6에 도시된 바와 같이, 클러치(20)는 분리된 상태를 유지하고, 엔진(12)이 구동되어 출력축(34)으로 동력을 출력하고 제1모터(16)가 구동된다. 그러면, 엔진(12)의 출력축(34)을 통해 캐리어(10)로 전달된 동력은 링기어(24)를 통해 제2모터(26)로 전달되어 상기 제2모터(26)를 회전시킨다. 그러면, 상기 제2모터(26)가 회전되면서 엔진(12)의 출력토크를 감소시키면서 제너레이터의 역할을 하여 배터리(50)를 충전시킨다. 그리고, 배터리(50)의 전원이 제1모터(16)로 인가되어 제1모터(16)를 구동시킨다.
이때, 상기 제2모터(26)가 엔진(12)의 토크를 감소시키게 되어 엔진(12)의 속도를 증대시키고 엔진(12)의 증속된 구동력과 제1모터(16)의 동력이 링기어(24)를 통해 구동축(30)으로 전달된다.
증속 모드 시 엔진의 사용가능한 운전 속도는 식(4)과 같은 속도 점들의 집합으로 표현할 수 있다.
Figure 112006012621495-PAT00001
식 (4)
Figure 112006012621495-PAT00002
여기서 ωdir 은 직결 시 엔진의 운전속도를 의미한다.
이 때, 상기 엔진 운전 점 중 한 점을 We, 구동축 속도를 Wr, 속도비 SR = 엔진속도/구동축 속도, 엔진출력을 P 로 정의 하면,
Figure 112006012621495-PAT00003
식 (5)
Figure 112006012621495-PAT00004
식 (6)
이에 대응되는 제1모터의 속도, 토크, 기계적인 동력 조건은 다음과 같다.
Figure 112006012621495-PAT00005
식 (7)
Figure 112006012621495-PAT00006
식 (8)
Figure 112006012621495-PAT00007
식 (9)
여기에서, 식(9)의 모터1의 기계적인 출력 동력을 Pg_mech, 이 때 제너레이터에 필요한 전기적인 동력을 Pg_elec, 이 때 모터1의 구동 효율 ng_mot라고 정의하면,
Figure 112006012621495-PAT00008
식 (10)
Figure 112006012621495-PAT00009
식 (11)
이 때. 상기 제1모터에서 필요한 전기적인 동력은 제2모터에서 공급된다.
제2모터에서 식 (10)에 표기한 제1모터에 소요되는 동력을 내기 위해 흡수하는 기계적인 동력은 식 (12)와 같이 정의된다.
Figure 112006012621495-PAT00010
식 (12)
이 때, nm_gen은 제2모터의 발전 효율을 의미한다.
유성기어의 식에서 기계적으로 구동축으로 전달되는 엔진의 동력은 다음과 같이 정의된다.
Figure 112006012621495-PAT00011
식 (13)
따라서, 출력 축에 공급되는 총 동력은 엔진의 동력에 제2모터의 발전 동력을 뺀 값이 되며 식 (14)와 같이 표현된다.
Figure 112006012621495-PAT00012
식 (14)
하이브리드 모드의 감속모드일 경우 도 5에 도시된 바와 같이, 클러치(20)는 분리된 상태를 유지하면서 엔진(12)과 제2모터(26)를 구동시킨다. 그러면 엔진(12)의 출력축(34)을 통해 구동력이 캐리어(10)로 전달되고 캐리어(10)의 회전에 의해 선기어(24)가 회전되면서 회전력이 제1모터(16)로 전달되어 제1모터(16)는 제너레이터의 역할을 하면서 발전되어 배터리(50)를 충전시킨다. 그리고, 배터리(50)의 전원이 제2모터(26)로 전달되어 제2모터(26)가 구동된다.
따라서, 상기 제2모터(26)에서 발생되는 동력과 엔진(12)의 토크가 합쳐져서 출력 토크를 증대시키게 되고, 링기어(24)를 통해 구동축(30)으로 전달된다.
감속모드에서의 출력 유도 과정은 증속 모드와 유사한 과정으로 유도되며, 식(15)와 같이 표현된다.
Figure 112006012621495-PAT00013
식 (15)
여기서 nm_mot는 제2모터의 구동효율, ng_gen은 제1모터의 발전 효율을 각각 의미한다.
식 (15)의 총 출력을 대응되는 엔진의 운전점에서의 연료량 FCi로 나눈 값을 시스템의 총 연비로 정의할 수 있으며, 이를 최대로 하는 점이 감속 모드에서의 엔진의 최적 운전점이 된다.
하이브리드 모드의 직결모드는 도 7에 도시된 바와 같이, 클러치(20)가 결합 된 상태를 유지하고 엔진(12)이 운전되어 출력축(34)으로 구동력이 전달되고, 제1모터(16)와 제2모터(26)는 정지된 상태를 유지한다.
그러면, 상기 엔진(12)의 출력축(34)과 구동축(30)이 유성기어셋트에 의해 직결된 상태로 되어 엔진(12)의 동력이 그대로 구동축(30)으로 전달된다.
여기에서, 상기 출력에 대응되는 엔진(12)의 운전점에서의 연료량으로 나눈 값을 시스템의 총 연비로 정의할 수 있고 이를 최대로 하는 점이 감속모드에서의 엔진의 최적 운전점이 된다.
본 발명에 따른 하이브리드 전기 자동차는 제1모터, 제2모터 및 엔진을 사용하여 각 주행상황에 따라 하이브리드 모드와 모터 모드를 최적상태로 제어하여 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

Claims (12)

  1. 유성기어셋트의 캐리어와 연결되는 엔진과;
    유성기어 셋트의 선기어와 연결되는 제1모터와;
    상기 선기어와 제1모터 사이에 연결되는 회전축과 변속기 하우징 사이에 설치되는 클러치와;
    상기 유성기어 셋트의 링기어와 연결되는 제2모터와;
    상기 링기어와 바퀴가 연결되는 구동축 사이에 연결되어 링기어의 동력을 구동축으로 전달하는 동력 전달장치를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 동력 전달장치는 상기 링기어에 장착되는 구동기어와 상기 구동축에 장착되는 피동기어와, 상기 구동기어와 피동기어 사이에 연결되는 연결체인으로 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 유성기어세트는 내측에 배치되고 제1모터의 회전축이 연결되는 선기어와;
    외측에 배치되고 그 일측은 제2모터의 회전축이 연결되고, 타단에는 구동기 어가 장착되는 링기어와;
    상기 선기어와 링기어 사이에 기어 물림된 유성기어들 사이에 연결되고 엔진의 출력축이 연결되는 캐리어로 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1모터와 제2모터는 배터리의 전원에 의해 구동되고, 엔진에 의해 회전축이 회전되면 제너레이터로 작동되어 배터리를 충전시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기자동차.
  5. 제 1 항에 있어서,
    자동차의 주행 조건에 따라 상기 엔진, 제1모터, 제2모터 및 클러치를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기자동차.
  6. 엔진, 제1모터, 제2모터 및 상기 엔진, 제1모터 및 제2모터와 구동축 사이를 연결하는 유성기어세트와, 상기 제1모터의 회전축에 설치되는 클러치로 구성되어,
    상기 제1모터와 제2모터 중 어느 하나의 회전력만을 사용하여 구동축을 구동시키는 모터 모드와;
    엔진과 제1모터와 제2모터 중 어느 하나를 동시에 사용하여 구동축을 구동시키는 하이브리드 모드로 작동되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차의 제어방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 하이브리드 모드는 엔진의 속도보다 구동축의 속도가 낮을 때 사용되는 감속모드와;
    엔진의 속도보다 구동축의 속도가 높을 때 사용되는 증속모드와;
    엔진의 속도와 구동축의 속도가 동일할 때 사용되는 직결모드로 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기자동차의 제어방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 모터 모드는 상기 엔진과 제1모터를 운전되지 않는 상태를 유지하고, 제2모터만 배터리의 전원에 의해 구동되어 유성기어세트를 통해 구동축을 구동시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기자동차의 제어방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제2모터의 토크량은 운전자의 액셀 패달을 개도량에 의해서만 결정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기자동차의 제어방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 감속모드는 상기 클러치가 분리된 상태를 유지하고 엔진을 구동시켜 엔 진의 구동력이 제1모터로 전달되어 제1모터는 제너레이터의 역할을 하면서 발전되어 배터리를 충전시키고 충전된 배터리의 전원이 제2모터로 전달되어 제2모터가 구동되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기자동차의 제어방법.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 증속모드는 상기 클러치가 분리된 상태를 유지하고, 엔진이 구동되어 엔진의 동력이 제2모터로 전달되어 상기 제2모터를 회전되고, 상기 제2모터는 회전되면서 엔진의 출력토크를 감소시키면서 제너레이터의 역할을 하여 배터리를 충전시키고, 배터리의 전원이 제1모터로 인가되어 제1모터를 구동시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기자동차의 제어방법.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 직결모드는 상기 클러치가 결합된 상태를 유지하고 상기 엔진이 운전되고, 상기 제1모터와 제2모터는 정지된 상태를 유지하여, 엔진의 동력이 유성기어셋트에 의해 직결된 상태로 구동축으로 전달되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차의 제어방법.
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