KR20090020176A - 모터-제너레이터 일체식 하이브리드 차량의 구동 시스템 및 방법 - Google Patents

모터-제너레이터 일체식 하이브리드 차량의 구동 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 모터-제너레이터 일체형 하이브리드 차량의 구동 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 특히 엔진 회전력을 입력받도록 연결된 듀얼 클러치를 이용하되, 차량 구동용 모터의 내부에 제너레이터를 삽입하고, 상기 모터의 축 내부에 상기 제너레이터의 축을 삽입한 상태로 외부축인 모터 축과 내부축인 제너레이터 축을 듀얼 클러치에 연결하여 상기 두 축을 듀얼 클러치를 매개로 엔진과 연결시킨 모터-제너레이터 일체형 하이브리드 차량의 구동 시스템, 및 이를 이용한 하이브리드 차량의 구동 방법에 관한 것이다.
하이브리드, 모터, 제너레이터, 일체형, 듀얼 클러치, EV, 직렬형, 병렬형,

Description

모터-제너레이터 일체형 하이브리드 차량의 구동 시스템 및 방법{Driving system of hybrid electric vehicle}
본 발명은 하이브리드 차량의 구동 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하이브리드 차량에서 엔진 및 모터, 제너레이터, 이들 사이의 동력전달수단으로 이루어지는 차량 구동 시스템 및 그 구동 방법에 관한 것이다.
일반적으로 넓은 의미의 하이브리드 차량은 서로 다른 두 종류 이상의 동력원을 효율적으로 조합하여 차량을 구동시키는 것을 의미하나, 대부분의 경우는 연료를 사용하여 구동력을 얻는 엔진과 배터리 전력으로 구동되는 모터에 의해 구동력을 얻는 차량을 의미하며, 이를 하이브리드 전기 차량(Hybrid Electric Vehicle, HEV)이라 부르고 있다.
최근 연비를 개선하고 보다 환경친화적인 제품을 개발해야 한다는 시대적 요청에 부응하여 하이브리드 전기 차량에 대한 연구가 더욱 활발히 진행되고 있다.
하이브리드 전기 차량은 엔진과 모터를 동력원으로 하여 다양한 구조를 형성 할 수 있는데, 현재까지 연구되고 있는 대부분의 차량은 병렬형이나 직렬형 중에 하나를 채택하고 있다.
직렬형은 엔진과 모터가 직결된 형태로서 병렬형에 비해 상대적으로 구조가 간단하고 제어로직이 간단하다는 장점은 있으나, 엔진으로부터의 기계적 에너지를 배터리에 저장하였다 다시 모터를 이용해 차량을 구동하므로 에너지 변환시의 효율 측면에서 불리하다는 단점이 있으며, 반면 병렬형은 직렬형보다 상대적으로 복잡하고 제어로직이 복잡하다는 단점은 있지만, 엔진의 기계적 에너지와 배터리의 에너지를 동시에 사용할 수 있어 에너지를 효율적 사용할 수 있다는 장점이다.
종래의 직, 병렬 하이브리드 차량 구조는 첨부한 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이 엔진(11), 제너레이터(12), 모터(14)가 유성기어(15,16)로 연결되어 있는 타입이다.
즉, 엔진(11), 제너레이터(12), 모터(14), 구동축(17) 사이의 동력전달을 위해 복수의 유성기어(15,16)를 사용하며, 이로 인해 차량 구동 및 동력전달구조가 매우 복잡한 구조로 되어 있다.
특히, 복잡한 하드웨어 구성으로 인해 그에 맞춰 파워트레인 제어 전략도 매우 복잡하게 구성해야 하는 등 여러 문제점을 가지고 있는 바, 기존 차량 구동 시스템의 개선이 필요하게 되었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 차량 구동용 모터의 내부에 제너레이터를 삽입하고, 상기 모터의 축 내부에 상기 제너레이터의 축을 삽입한 상태로 외부축인 모터 축과 내부축인 제너레이터 축을 듀얼 클러치에 연결하여 상기 두 축을 상기 듀얼 클러치를 매개로 엔진과 연결함으로써, 모터와 제너레이터를 유성기어에 연결한 종래의 복잡한 구조에 비해 더욱 간단한 구조를 갖는 모터-제너레이터 일체형 하이브리드 차량의 구동 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 엔진, 제너레이터, 배터리, 차량 구동용 모터를 탑재한 하이브리드 차량의 구동 시스템에 있어서, 엔진 축이 연결된 듀얼 클러치가 구비되고, 제너레이터와 모터가 일체형으로 구성되어 제너레이터 축과 모터 축이 엔진 축에 선택적으로 연결되도록 상기 듀얼 클러치에 연결되는 한편, 상기 모터 축이 기어수단에 의해 휠 구동축에 직결되어 구성된 것을 특징으로 하는 모터-제너레이터 일체형 하이브리드 차량의 구동 시스템을 제공한다.
바람직한 실시예에서, 상기 제너레이터가 모터 내부에 삽입된 상태로 제너레이터 축을 내부축으로, 모터 축을 외부축으로 하여 제너레이터 축과 모터 축이 상기 듀얼 클러치의 제1클러치와 제2클러치에 각각 연결된 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명은, 엔진, 제너레이터, 배터리, 차량 구동용 모터, 제1클러치와 제2클러치를 가지면서 엔진 축이 연결된 듀얼 클러치가 탑재되며, 제너레이터가 모터 내부에 삽입되어 내부축이 되는 제너레이터 축과 외부축이 되는 모터 축이 듀얼 클러치의 제1클러치와 제2클러치를 매개로 엔진 축에 연결되고, 상기 모터 축이 기어수단에 의해 휠 구동축에 직결된 하이브리드 차량의 구동 방법으로서,
상기 제1클러치 및 제2클러치가 모두 열린 상태에서 배터리 전력에 의해 모터가 구동하여 모터 회전력에 의해서만 차량이 구동하는 EV 모드와;
상기 제1클러치가 닫히고 상기 제2클러치가 열리면서 엔진 회전력이 제1클러치에 연결된 제너레이터 축에 전달되어, 제너레이터의 발전 전력으로 구동하는 모터 회전력에 의해 차량이 구동하는 직렬 하이브리드 모드와;
상기 제1클러치가 열리고 상기 제2클러치가 닫히면서 엔진 회전력이 제2클러치에 연결된 모터 축에 전달되는 동시에, 배터리 전력으로 모터가 구동하여, 엔진 회전력과 모터 회전력에 의해 차량이 구동하는 병렬 하이브리드 모드;
를 포함하는 모터-제너레이터 일체형 하이브리드 차량의 구동 방법을 제공한다.
바람직한 실시예에서, 상기 제1클러치가 닫히고 상기 제2클러치가 열리면서 선택되는 직렬 하이브리드 모드에서 상기 제너레이터의 발전 전력 중 일부를 배터리에 충전하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 본 발명의 구동 시스템에 의하면, 엔진 회전력을 입력받도록 연결된 듀얼 클러치를 이용하는 것으로서, 차량 구동용 모터의 내부에 제너레이터를 삽입하고, 상기 모터의 축 내부에 상기 제너레이터의 축을 삽입한 상태로 외부축인 모터 축과 내부축인 제너레이터 축을 듀얼 클러치에 연결하여 상기 두 축을 상기 듀얼 클러치를 매개로 엔진과 연결시킨 구조로 구성함으로써, 모터와 제너레이터를 유성기어에 연결한 종래의 복잡한 구조에 비해 더욱 간단한 구조로 하이브리드 차량의 구동 시스템을 구성할 수 있게 된다.
또한 모터 회전력이 차동장치를 통해 휠에 직접 전달되도록 구성되어 저속(저rpm)시 높은 토크를 낼 수 있는 모터 특성을 이용해 출발/저속시 EV 모드로 작동시키고, 중/고속에서의 동력 부족시에는 모터 축을 클러치를 통해 엔진과 연결하여(병렬형) 부족한 동력을 충족시킬 수 있는 바, 별도 변속기가 필요없이 주행이 가능해진다. 이는 차량 패키지적으로 매우 유리한 이점을 제공한다.
평소 일반 주행에는 EV 또는 직렬 하이브리드 모드에서 주행하여 연비를 향상시킬 수 있고, 추가 동력이 필요할 때는 휠 축에 엔진 동력을 직접 전달하는 병렬 하이브리드 모드를 구현시킬 수 있어 직렬 하이브리드 타입의 단점도 보완할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 일실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 차량 구동 시스템을 도시한 구성도로서, 본 발명은 기존 직, 병렬 타입의 파워트레인 구조를 듀얼 클러치를 이용하여 간략하게 한 시스템으로, 차량에 적용하기 용이한 장점을 갖추고 있다.
그 구성을 살펴보면, 듀얼 클러치(11a)는 엔진 회전력을 입력받을 수 있도록 엔진 축에 직결되며, 엔진(11)으로부터 입력되는 회전력을 2개의 클러치(C1,C2)를 이용해 2개의 축(내부축과 외부축)(12a,14a)에 선택적으로 전달하게 된다.
보다 상세히는, 엔진 회전력이 입력되는 듀얼 클러치(11a)에는 두 출력축, 즉 동심 상의 내부축(12a) 및 외부축(14a)이 연결되는 바, 두 클러치 중 제1클러치(C1)는 내부축(12a)에, 제1클러치(C2)는 중공 외부축(14a)에 연결된다.
이때, 상기 제너레이터(12)는 모터(14) 내부에 삽입되어 모터(14)와 제너레이터(12)가 일체형 구조가 되며, 제너레이터 축이 모터 축 내에 삽입되어 상기 제너레이터 축이 듀얼 클러치(11a)에 연결되는 내부축(12a)이 되고, 상기 모터 축이 듀얼 클러치(11a)에 연결되는 외부축(14a)이 된다.
이와 함께 제너레이터(12)는 차량 휠과는 연결되지 않으며, 휠 축(19)은 차동장치(18), 구동축(이하, 휠 구동축이라 칭함)(17) 및 기어수단(17a)을 통해 모터 축인 외부축(14a)에 연결되어 있다.
이와 같은 본 발명의 구동 시스템에서 각 구동모드 별 작동상태를 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 4는 모터의 회전력만을 이용하는 순수 전기 자동차 모드인 EV(Electric Vehicle) 모드의 작동상태를 나타낸 도면으로, 주지된 바와 같이 EV 모드는 출발시나 엔진 비효율 구간(저속구간)에서 선택되는 주행모드로, 배터리(13)의 전력으로 구동되는 모터(14)에 의해서만 차량 구동력을 얻게 된다.
초기 출발시에는 엔진의 효율이 모터의 효율에 비하여 떨어지기 때문에 효율이 좋은 모터를 사용하여 차량의 초기 출발을 시작하는 것이 차량의 연비 측면에서 유리하다.
이러한 EV 모드에서는 듀얼 클러치(11a)의 제1 및 제1클러치(C1,C2)가 모두 열려 있게 되며, 에너지는 배터리(13)에서 얻어 모터(14)가 휠에 전달한다.
회생제동 모드의 경우, 도 4의 EV 모드와 비교하여 듀얼 클러치의 작동상태는 동일하며, 에너지 흐름은 EV 모드와 반대가 되어, 회생제동에 의해 생산되는 전력이 배터리에 충전된다.
첨부한 도 5는 직렬 하이브리드 모드의 작동상태를 나타낸 도면으로, 직렬 하이브리드 모드는 일반 주행시 사용되는 모드이며, 듀얼 클러치(11a) 중 제1클러치(C1)는 닫히고 제1클러치(C2)는 열려 있게 된다.
상기 제1클러치(C1)가 작동되면, 엔진 축의 회전력이 내부축(12a)을 통해 제너레이터(12)에 전달되고(엔진은 최적 작동상태 구현), 제너레이터(12)가 생산하는 전력이 모터(14)에 제공되어 모터를 구동시키며, 이때 모터(14)의 회전력이 휠 축(19)이 전달되어 차량이 주행하게 된다.
물론, 제너레이터(12)가 생산하는 전력 중 일부는 배터리(13)에 충전될 수도 있다.
다음으로, 첨부한 도 6은 병렬 하이브리드 모드의 작동상태를 나타낸 도면으 로, 병렬 하이브리드 모드는 중/고속시, 동력 부족시 선택되는 모드이다.
병렬 하이브리드 모드에서는 엔진(11)과 모터(14)가 동시에 구동되어 휠에 동력을 전달하는데(엔진의 RPM은 제너레이터가 조절함), 모터(14)는 배터리 전력에 의해 구동되고, 듀얼 클러치(11a) 중 제1클러치(C1)는 열리고 제1클러치(C2)가 닫히게 된다.
상기 제1클러치(C2)가 작동되면, 엔진 회전력이 듀얼 클러치(11a)를 통해 외부축(14a)으로 전달되어 기어수단(17a), 휠 구동축(17) 및 차동장치(18)를 통해 각 휠 축(19)으로 전달되며, 동시에 배터리 전력에 의해 구동되는 모터(14)의 회전력이 모터 축인 외부축(14a)을 통해 직접 휠 구동축(17)과 휠 축(19)으로 전달된다.
결국, 엔진(11)과 모터(14)가 동시에 휠에 동력을 전달하게 된다.
이와 같이 하여, 본 발명에서는 EV 모드 및 직, 병렬 하이브리드 모드를 선택하여 모두 구현할 수 있게 된다.
도 1과 도 2는 종래 직, 병렬 하이브리드 차량의 구동 시스템을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 차량 구동 시스템의 구성도,
도 4는 본 발명에서 EV 모드의 작동상태를 나타낸 도면,
도 5는 본 발명에서 직렬 하이브리드 모드의 작동상태를 나타낸 도면,
도 6은 본 발명에서 병렬 하이브리드 모드의 작동상태를 나타낸 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11 : 엔진 11a : 듀얼 클러치
12 : 제너레이터 12a : 제너레이터 축
13 : 배터리 14 : 모터
14a : 모터 축 17 : 휠 구동축
17a : 기어수단 18 : 차동장치
19 : 휠 축 C1 : 제1클러치
C2 : 제2클러치

Claims (4)

  1. 엔진(11), 제너레이터(12), 배터리, 차량 구동용 모터(14)를 탑재한 하이브리드 차량의 구동 시스템에 있어서,
    엔진 축이 연결된 듀얼 클러치(11a)가 구비되고, 제너레이터(12)와 모터(14)가 일체형으로 구성되어 제너레이터 축(12a)과 모터 축(14a)이 엔진 축에 선택적으로 연결되도록 상기 듀얼 클러치(11a)에 연결되는 한편, 상기 모터 축(14a)이 기어수단(17a)에 의해 휠 구동축(17)에 직결되어 구성된 것을 특징으로 하는 모터-제너레이터 일체형 하이브리드 차량의 구동 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제너레이터(12)가 모터(14) 내부에 삽입된 상태로 제너레이터 축(12a)을 내부축으로, 모터 축(14a)을 외부축으로 하여 제너레이터 축(12a)과 모터 축(14a)이 상기 듀얼 클러치(11a)의 제1클러치(C1)와 제1클러치(C2)에 각각 연결된 것을 특징으로 하는 모터-제너레이터 일체형 하이브리드 차량의 구동 시스템.
  3. 엔진, 제너레이터, 배터리, 차량 구동용 모터, 제1클러치와 제2클러치를 가지면서 엔진 축이 연결된 듀얼 클러치가 탑재되며, 제너레이터가 모터 내부에 삽입 되어 내부축이 되는 제너레이터 축과 외부축이 되는 모터 축이 듀얼 클러치의 제1클러치와 제2클러치를 매개로 엔진 축에 연결되고, 상기 모터 축이 기어수단에 의해 휠 구동축에 직결된 하이브리드 차량의 구동 방법으로서,
    상기 제1클러치 및 제2클러치가 모두 열린 상태에서 배터리 전력에 의해 모터가 구동하여 모터 회전력에 의해서만 차량이 구동하는 EV 모드와;
    상기 제1클러치가 닫히고 상기 제2클러치가 열리면서 엔진 회전력이 제1클러치에 연결된 제너레이터 축에 전달되어, 제너레이터의 발전 전력으로 구동하는 모터 회전력에 의해 차량이 구동하는 직렬 하이브리드 모드와;
    상기 제1클러치가 열리고 상기 제2클러치가 닫히면서 엔진 회전력이 제2클러치에 연결된 모터 축에 전달되는 동시에, 배터리 전력으로 모터가 구동하여, 엔진 회전력과 모터 회전력에 의해 차량이 구동하는 병렬 하이브리드 모드;
    를 포함하는 모터-제너레이터 일체형 하이브리드 차량의 구동 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1클러치가 닫히고 상기 제1클러치가 열리면서 선택되는 직렬 하이브리드 모드에서 상기 제너레이터의 발전 전력 중 일부를 배터리에 충전하는 것을 특징으로 하는 모터-제너레이터 일체형 하이브리드 차량의 구동 방법.
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