KR20080027638A - 하이브리드 전기 자동차용 무단변속 동력전달장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하이브리드 전기 자동차의 무단변속 동력전달장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 2개의 모터, 2개의 유성기어, 2개의 모드 전환 클러치를 조합하여 클러치 조작에 의한 모드 변환으로 저속 및 고속에서 모두 동력순환이 발생되지 않는 동력 분기 상태에서만 운전이 가능하고, 모드 변환에 따른 동력순환이 발생되지 않으므로 기존 변속기 대비 모터와 배터리 용량의 소형화가 가능하며, 넓은 속도비 영역에서 운전 가능한 2-모드의 하이브리드 전기 자동차의 무단변속 동력전달장치에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 제1모터와 연결되는 제1유성기어와; 엔진으로부터의 입력축과 연결되는 동시에 상기 제1유성기어에도 엔진의 동력을 전달할 수 있게 연결되는 제2유성기어와; 상기 제1모터의 동력을 제1유성기어에 전달하기 위하여 작동하는 제1 및 제2클러치와; 상기 제2유성기어와 연결되는 제2모터와; 상기 제1 및 제2유성기어의 어느 하나의 작동요소와 연결된 출력축으로 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차의 무단변속 동력전달장치를 제공한다.

하이브리드 전기 자동차, 무단변속, 동력전달장치

Description

하이브리드 전기 자동차용 무단변속 동력전달장치{Continuously variable transmission for HEV}

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 전기 자동차의 동력전달장치의 구조도,

도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 전기 자동차의 동력전달장치의 제1모드인 출력 분기 모드를 나타내는 동력전달계통도,

도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 전기 자동차의 동력전달장치의 제2모드인 복합 분기 모드를 나타내는 동력전달계통도,

도 5는 본 발명에 따른 하이브리드 전기 자동차의 동력전달장치의 동력전달특성을 설명하는 속도선도,

도 6 및 도 7은 종래의 하이브리드 전기 자동차의 동력전달장치를 설명하는 개략도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 엔진 12 : 입력축

14 : 출력축 PG1 : 제1유성기어

PG2 : 제2유성기어 CA1,CA2 : 캐리어

M1 : 제1모터 M2 : 제2모터

S1,S2 : 선기어 R1,R2 : 링기어

본 발명은 하이브리드 전기 자동차의 동력전달장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 2개의 모터, 2개의 유성기어, 2개의 모드 전환 클러치를 조합하여 클러치 조작에 의한 모드 변환으로 저속 및 고속에서 모두 동력순환이 발생되지 않는 동력 분기 상태에서만 운전이 가능하고, 모드 변환에 따른 동력순환이 발생되지 않으므로 기존 변속기 대비 모터와 배터리 용량의 소형화가 가능하며, 넓은 속도비 영역에서 운전 가능한 2-모드의 하이브리드 전기 자동차의 무단변속 동력전달장치에 관한 것이다.

통상적으로서, 하이브리드 전기 자동차는 엔진과 모터를 동력원으로 하여 다양한 동력 전달 구조를 구성할 수 있으며, 현재 하이브리드 차량의 대부분은 병렬형이나 직렬형의 동력전달 구성중 하나를 채택하고 있다.

직렬형은 엔진과 모터가 직결된 형태로서 병렬형에 비하여 상대적으로 구조가 간단하고, 제어로직이 간단하다는 장점은 있으나, 엔진으로부터의 기계적 에너지를 배터리에 저장하였다 다시 모터를 이용하여 차량을 구동하여야 하기 때문에 에너지 변환시의 효율 측면에서 불리하다는 문제점이 있으며, 반면에 병렬형 구조 가 직렬형보다 상대적으로 복잡하고, 제어로직이 복잡하다는 단점은 있지만, 엔진의 기계적 에너지와 배터리의 전기 에너지를 동시에 사용할 수 있어 에너지를 효율적 사용할 수 있다는 장점이 있기 때문에 승용차등에 채택되고 있는 추세에 있다.

첨부한 도 6에 도시된 일반적인 하이브리드 차량의 동력전달장치는 엔진과 모터가 직결된 타입으로 유성기어의 캐리어가 엔진의 입력축과 연결되어 있고, 링기어가 모터 출력축과 연결되어 있으며, 선기어는 발전기와 연결되어 있다.

이에, 모터의 구동을 초기 출발(초기 출발 영역시 저 RPM에서 효율이 좋은 모터의 특성을 이용)시에 사용하며, 차량이 일정속도를 갖게 되면 상기 발전기가 엔진을 시동하여 엔진의 출력과 모터의 출력을 동시에 이용하게 된다.

첨부한 도 7에 도시된 기존의 동력전달장치는 유성기어와 두 개의 모터를 사용하는 동력전달장치로서 주로 하이브리드 전기 자동차에 적용되고 있는 바, 별도의 변속장치없이도 2개 모터의 속도를 제어함으로써, 무단 변속기 역할을 수행할 수 있다.

또한, 2개의 모터에 대한 속도 제어에 의하여 하이브리드 차량의 다양한 모드(모터구동, 엔진구동, 하이브리드, 회생 제동 등)를 구현할 수 있고, 엔진의 부드러운 온/오프 제어 및 제동시 2개 모터의 유기적인 작동 제어에 의한 회생제동효율의 향상이 가능하다.

그러나, 기존의 2-모드 동력전달장치는 동력순환이 발생하는 구간이 존재하며, 각 모터를 통한 동력 순환량이 많아지면 동력전달 시스템 전체의 효율이 낮아지는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 2개의 모터, 2개의 유성기어, 2개의 모드 전환 클러치를 조합하여 클러치 조작에 의한 모드 변환으로 저속 및 고속에서 모두 동력순환이 발생되지 않는 동력 분기 상태에서만 운전이 가능하고, 동력전달효율이 높은 기계부로 전달되는 동력이 모터/발전기에 의한 전기부로 전달되는 동력보다 많아 동력전달장치 전체 효율이 높은 상태로 운전이 가능하며, 또한 모드 변환에 따른 동력순환이 발생되지 않으므로 기존 변속기 대비 모터와 배터리 용량의 소형화가 가능하며, 넓은 속도비 영역에서 운전 가능한 2-모드의 하이브리드 전기 자동차의 무단변속 동력전달장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 제1모터와 연결되는 제1유성기어와; 엔진으로부터의 입력축과 연결되는 동시에 상기 제1유성기어에도 엔진의 동력을 전달할 수 있게 연결되는 제2유성기어와; 상기 제1모터의 동력을 제1유성기어에 전달하기 위하여 작동하는 제1 및 제2클러치와; 상기 제2유성기어와 연결되는 제2모터와; 상기 제1 및 제2유성기어의 어느 하나의 작동요소와 연결된 출력축으로 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차의 무단변속 동력전달장치를 제공한다.

바람직한 일구현예로서, 상기 제1클러치 작동시 제1모터는 제1유성기어의 선기어와 연결되고, 제2클러치 작동시 제1유성기어의 링기어와 연결되는 것을 특징으로 한다.

바람직한 다른 구현예로서, 상기 엔진으로부터의 입력축은 제2유성기어의 캐리어와 연결되고, 이 제2유성기어의 캐리어는 상기 제1유성기어의 캐리어와 연결되는 것을 특징으로 한다.

바람직한 또 다른 구현예로서, 상기 제2모터는 제2유성기어의 선기어와 연결되는 것을 특징으로 한다.

바람직한 또 다른 구현예로서, 상기 출력축은 제2유성기어의 링기어와 연결되고, 이 제2유성기어의 링기어는 상기 제1유성기어의 선기어와 연결되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 일 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

첨부한 도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 전기 자동차의 동력전달장치의 구조도이다.

본 발명은 2개의 모터와 2개의 클러치 그리고 2개의 유성기어의 조합으로, 동력 순환없이 2모드 운전이 가능한 동력전달장치를 제공하고자 한 것이다.

엔진(10)으로부터의 입력축(12)이 제2유성기어(PG2)의 캐리어(CA2)와 연결되고, 제2모터(M2)가 제2유성기어(PG2)의 선기어(S2)와 연결된다.

또한, 제1유성기어(PG1)가 상기 제2유성기어(PG2)와 연결되는 바, 제2유성기 어(PG2)의 캐리어(CA2)와 제1유성기어(PG1)의 캐리어(CA1)가 서로 동력 전달 가능하게 연결된다.

특히, 제1모터(M1)가 상기 제1유성기어(PG1)와 연결되는데, 제1 및 제2클러치(C1,C2)의 작동으로 선택 연결되며, 상기 제1클러치(C1) 작동시 제1모터(M1)는 제1유성기어(PG1)의 선기어(S1)와 연결되고, 제2클러치(C2) 작동시 제1유성기어(PG1)의 링기어(R1)와 연결된다.

또한, 출력축(14)은 상기 제2유성기어(PG2)의 링기어(R2)와 연결되고, 이 제2유성기어(PG2)의 링기어(R2)는 상기 제1유성기어(PG1)의 선기어(S1)와 연결된다.

여기서, 본 발명에 따른 동력전달장치의 작동모드를 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 전기 자동차의 동력전달장치의 제1모드인 출력 분기 모드를 나타내는 동력전달계통도이고, 도 4는 제2모드인 복합 분기 모드를 나타내는 동력전달계통도이다.

도 3에 도시된 동력전달계통도는 제1모드로서 출력 분기 모드를, 도 4에 도시된 동력전달계통도는 제2모드로서 복합 분기 모드를 나타낸다.

제1모드는 제1클러치(C1)을 결합시키고 제2클러치(C2)를 해제시켜 구현되고, 제2모드는 반대로 제2클러치(C2)를 결합시키고 제1클러치(C1)을 해제시켜 구현된다.

제1모드에서, 제1모터(M1)는 출력축(14)과 연결되어 차량구동을 보조하며, 제2모터(M2)는 엔진의 운전상태에 따라 엔진동력보조, 엔진속도제어, 회생제동 등의 역할을 하게 된다.

즉, 제1모터(M1)가 제1클러치(C1)의 결합으로 제1유성기어(PG1)의 선기어(S1)와 연결됨에 따라, 제1모터(M1)의 동력은 제1유성기어(PG1)의 선기어(S1)를 통하여 출력축(14)으로 전달되고, 엔진(10)의 동력은 제2유성기어(PG2)의 캐리어(CA2)와 링기어(R2)를 통하여 출력축(14)으로 전달되며, 이때 상기 제2모터(M2)의 동력은 제2유성기어(PG2)의 선기어(S2)를 통하여 캐리어(CA2)로 전달되어 엔진동력보조, 엔진속도제어, 회생제동 등의 역할을 하게 된다.

제2모드에서, 제1모터(M1)가 제2클러치(C2)의 결합으로 제1유성기어(PG1)의 링기어(R1)와 연결됨에 따라, 제1모터(M1)의 동력은 제1유성기어(PG1)의 링기어(R1) 및 캐리어(CA1)를 통하여 선기어(S1)로 전달되고 동시에 이 제1유성기어(PG1)의 선기어(S1)를 통하여 출력축(14)으로 전달되고, 상기 엔진(10)의 동력은 제2유성기어(PG2)의 캐리어(CA2) 및 제1유성기어(PG1)의 캐리어(CA1)를 통하여 제1유성기어(PG1)의 선기어(S1)를 거쳐 출력축(14)으로 전달되며, 상기 제2모터(M2)의 동력은 제2유성기어(PG2)의 선기어(S2)를 통하여 캐리어(CA2)로 전달되어 엔진동력보조, 엔진속도제어, 회생제동의 역할을 하게 된다.

이와 같이, 상기 제1 및 제2모터(M1, M2)의 속도와 토크를 제어함으로써, 하이브리드 차량의 주행모드(모터구동 모드, 엔진구동 모드, 하이브리드 구동 모드, 회생제동 모드)를 구현할 수 있고, 또한 제1 및 제2모터(M1, M2)의 속도를 제어함으로써 엔진속도도 제어할 수 있는 전기적 무단변속기 역할을 수행할 수 있다.

첨부한 도 5는 본 발명에 따른 하이브리드 전기 자동차의 동력전달장치의 동력전달특성을 설명하는 속도선도를 나타낸다.

제1모드는 출력분기모드 구성으로 속도비 0∼A점 까지 작동하며 입력동력은 동력순환 없이 기계부와 전기부로 분기되어 전달된다.

제1모드에서 동력 분기량은 속도비 0에서 전기부(E1)로 100%, 속도비 A에서 기계부(M1)로 100% 전달되며, 속도비 0∼A 구간에서는 기계부(M1)와 전기부(E1)로 1차 선도를 따라 동력분기 비율이 나뉜다.

모드 전환이 일어나는 속도비 A는 제1 및 제2유성기어의 기어비 설정에 따라 변하며 이 점이 일치하도록 설정하는 바, 속도비 A에서는 모든 동력이 기계부로만 전달되므로 속도비 A에서 운전시 전달효율이 가장 좋은 운전상태가 된다.

제2모드는 속도비 A∼B 구간에서 작동하며 복합 분기 모드로 작동되어 도 5에서 보는 바와 같이 2차 선도형태로 동력분기 특성이 나타난다.

속도비 A∼B 구간에서 전기부로 전달되는 동력(E2)은 기계부로 전달되는 동력(M2) 대비 낮기 때문에 모드 1보다 효율이 높은 구간에서 운전되는 구간이 넓으며, 속도비 B는 PG2의 유성기어비에 의해 결정된다.

이에, 각 모드에서 차량속도 구현을 위하여 모터 회전속도와 토크를 제어함으로써 하이브리드 모드, 엔진모드 및 회생제동 모드를 구현을 할 수 있다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 하이브리드 전기 자동차용 동력전달장치는 다음과 같은 효과를 제공한다.

1) 기존 하이브리드 자동차용 동력전달장치의 단점인 동력순환이 없고 넓은 속도비 영역에서 운전 가능한 2-모드 동력전달장치를 제공한다.

2) 2개 클러치를 이용하여 2-모드 운전이 가능하고 기존 대비 넓은 속도비 영역에서 작동 가능하다.

3) 전 속도비 영역에서 동력순환이 발생하지 않고 동력분기 상태에서 운전되는 고효율 동력전달이 가능하다.

4) 동력전달효율이 높은 기계부로 전달되는 동력이 모터/발전기에 의한 전기부로 전달되는 동력보다 커서 동력전달장치 전체 효율이 높은 상태로 운전이 가능하다.

5) 동력순환이 없어 기존의 구조 대비 용량이 작은 모터 및 배터리의 사용이 가능하다.

6) 2개 모터의 속도와 토크를 적절히 제어함으로써 하이브리드 차량의 다양한 주행모드를 구현하고 엔진속도도 제어 가능하다.

Claims (5)

1. 제1모터와 연결되는 제1유성기어와;

   엔진으로부터의 입력축과 연결되는 동시에 상기 제1유성기어에도 엔진의 동력을 전달할 수 있게 연결되는 제2유성기어와;

   상기 제1모터의 동력을 제1유성기어에 전달하기 위하여 작동하는 제1 및 제2클러치와;

   상기 제2유성기어와 연결되는 제2모터와;

   상기 제1 및 제2유성기어의 어느 하나의 작동요소와 연결된 출력축;

   을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차의 무단변속 동력전달장치.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 제1클러치 작동시 제1모터는 제1유성기어의 선기어와 연결되고, 제2클러치 작동시 제1유성기어의 링기어와 연결되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차의 무단변속 동력전달장치.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 엔진으로부터의 입력축은 제2유성기어의 캐리어와 연결되고, 이 제2유성기어의 캐리어는 상기 제1유성기어의 캐리어와 연결되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차의 무단변속 동력전달장치.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 제2모터는 제2유성기어의 선기어와 연결되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차의 무단변속 동력전달장치.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 출력축은 제2유성기어의 링기어와 연결되고, 이 제2유성기어의 링기어는 상기 제1유성기어의 선기어와 연결되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차의 무단변속 동력전달장치.

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