KR20100003747A - 차량의 하이브리드 구동장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 두 개의 유성기어장치와 두 개의 모터제너레이터를 사용하여 엔진의 동력을 출력축으로 인출하도록 하는 하이브리드 구동장치를 제공함으로써, 종래 입력분기식 하이브리드 구동장치의 단점을 극복하고, 차량의 고속주행 상태에서 연비성능을 향상시킬 수 있으며, 차량의 발진 가속성능 및 등판성능을 아울러 향상시킬 수 있도록 한다.
하이브리드, 유단기어모드, 모터제너레이터

Description

차량의 하이브리드 구동장치{Hybrid Power Train of Vehicle}
본 발명은 차량의 하이브리드 구동장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 엔진과 두 개의 모터제너레이터로부터의 동력을 조합하여 차량의 구동륜으로 전달할 수 있도록 된 하이브리드 구동장치에 관한 기술이다.
유성기어세트와 모터제너레이터 2개를 사용하는 하이브리드 구동장치는 별도의 변속기 없이 상기 모터제너레이터의 속도를 제어함으로써 전기적으로 작동하는 무단변속기의 역할을 수행할 수 있으며, 상기 모터제너레이터의 속도를 제어함으로써 모터모드, 엔진모드, 하이브리드모드 및 회생제동모드 등을 구현할 수 있고, 필요에 따라 엔진의 온/오프 제어가 가능하여 연비를 더욱 향상시킬 수 있으며, 제동시 마찰브레이크의 사용을 최소화하여 회생제동효율을 높일 수 있다.
종래 모터제너레이터 2개를 사용하는 하이브리드 전기자동차용 파워트레인으로서 널리 사용되고 있는 방식은, 두 모터제너레이터 중 어느 한 모터제너레이터가 출력축에 고정적으로 직결되어 있는 입력분기식(input split type) 구조를 가지고 있다.
상기와 같은 구조의 파워트레인은 출력축에 직결되지 않은 나머지 모터제너 레이터의 속도가 0가 되는 미케니컬포인트(Mechanical point)를 형성하는 변속비에서 효율이 가장 좋고, 이를 기준으로 변속비가 증가하거나 감소하면 효율이 떨어지기 시작하며, 변속비가 감소하는 경우의 효율의 저하가 변속비가 증가하는 경우에 비해 급격히 커진다.
즉, 변속비가 상기 미케니컬포인트를 넘어서 작아짐에 따라(차속이 증가함에 따라) 파워트레인의 효율이 급격히 저하되는 문제점을 가지고 있다.
본 발명은 종래 입력분기식 구조의 단점을 극복하여 고속에서 연비성능을 향상시킬 수 있으며, 차량의 발진 가속성능 및 등판성능을 아울러 향상시킬 수 있도록 한 차량의 하이브리드 구동장치를 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 안출된 본 발명 차량의 하이브리드 구동장치는
제1,2유성기어장치의 제1,2회전요소가 서로 고정 및 가변연결되고;
상기 제1유성기어장치의 제1,2,3회전요소는 각각 출력축, 제1모터제너레이터, 엔진과 연결되며;
상기 제2유성기어장치의 제1,2,3회전요소는 각각 상기 출력축, 브레이크수단, 제2모터제너레이터와 연결되고;
상기 제1유성기어장치의 제1,2회전요소는 서로 가변연결된 것을 특징으로 한다.
상기 제1유성기어장치의 제2회전요소와 상기 제2유성기어장치의 제2회전요소 상호간의 회전구속상태를 가변할 수 있도록 제1클러치가 구비되고;
상기 제1유성기어장치의 제1,2회전요소 상호간의 회전구속상태를 가변할 수 있도록 제2클러치가 구비된 구조로 할 수 있다.
상기 제1유성기어장치의 제1회전요소인 제1캐리어는 출력축에 직결되고;
상기 제1유성기어장치의 제2회전요소인 제1선기어는 상기 제1클러치 및 상기 제1모터제너레이터에 연결되며;
상기 제1유성기어장치의 제3회전요소인 제1링기어는 엔진에 연결된 구조로 할 수 있다.
상기 제2유성기어장치의 제1회전요소인 제2캐리어는 상기 제1캐리어와 함께 상기 출력축에 직결되고;
상기 제2유성기어장치의 제2회전요소인 제2선기어는 상기 제1클러치 및 상기 브레이크수단인 제1브레이크에 연결되며;
상기 제2유성기어장치의 제3회전요소인 제2링기어는 상기 제2모터제너레이터에 연결된 구조로 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 차량의 하이브리드 구동장치는
엔진과 제1모터제너레이터에 각각 연결되는 두 회전요소를 포함하는 적어도 3개의 회전요소를 구비한 제1유성기어장치와;
출력축과 제2모터제너레이터 및 브레이크수단에 각각 연결되는 회전요소들을 포함하고, 상기 회전요소들 중 상기 출력축이 연결된 회전요소가 상기 제1유성기어장치의 한 회전요소와 직결된 제2유성기어장치와;
상기 제1모터제너레이터에 연결된 상기 제1유성기어장치의 회전요소와 상기 브레이크수단에 연결된 상기 제2모터제너레이터의 회전요소 사이의 회전구속상태를 가변할 수 있도록 구비된 제1클러치와;
상기 제1유성기어장치의 회전요소들 중 상기 출력축에 연결된 회전요소와 상기 제1모터제너레이터에 연결된 회전요소 사이의 회전구속상태를 가변할 수 있도록 구비된 제2클러치;
를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 엔진은 상기 제1모터제너레이터의 회전요소들 중 상기 출력축 및 제1모터제너레이터에 연결된 요소들 이외의 요소에 연결되고;
상기 브레이크수단은 상기 제2모터제너레이터의 한 요소를 고정부재에 대해 회전구속상태를 가변할 수 있도록 구비된 제1브레이크로 구성될 수 있다.
상기 제1유성기어장치의 제1선기어가 상기 제1모터제너레이터에 연결되고, 제1캐리어가 상기 출력축에 연결되며, 제1링기어가 상기 엔진에 연결되고;
상기 제2유성기어장치의 제2선기어가 상기 제1브레이크에 연결되며, 상기 제2캐리어가 상기 출력축에 연결되고, 상기 제2링기어가 상기 제2모터제너레이터에 연결되며;
상기 제1클러치는 상기 제1선기어 및 제2선기어를 상호 회전구속상태를 가변할 수 있도록 설치되고;
상기 제2클러치는 상기 제1선기어 및 제2캐리어를 상호 회전구속상태를 가변할 수 있도록 설치된 구조로 할 수 있다.
본 발명은 종래 입력분기식 하이브리드 구동장치의 단점을 극복하여, 차량의 고속주행 상태에서 연비성능을 향상시킬 수 있으며, 차량의 발진 가속성능 및 등판성능을 아울러 향상시킬 수 있도록 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명 실시예는 제1유성기어장치(1) 및 제2유성기어장치(3)의 제1,2회전요소가 서로 고정 및 가변연결되고; 상기 제1유성기어장치(1)의 제1,2,3회전요소는 각각 출력축(7), 제1모터제너레이터(9), 엔진(5)과 연결되며; 상기 제2유성기어장치(3)의 제1,2,3회전요소는 각각 상기 출력축(7), 브레이크수단, 제2모터제너레이터(11)와 연결되고; 상기 제1유성기어장치(1)의 제1,2회전요소는 서로 가변연결된 구조이다.
상기 제1유성기어장치(1)의 제2회전요소와 상기 제2유성기어장치(3)의 제2 회전요소 상호간의 회전구속상태를 가변할 수 있도록 제1클러치(13)가 구비되고, 상기 제1유성기어장치(1)의 제1,2회전요소 상호간의 회전구속상태를 가변할 수 있도록 제2클러치(15)가 구비된다.
상기 제1유성기어장치(1)의 제1회전요소인 제1캐리어는 출력축(7)에 직결되고, 상기 제1유성기어장치(1)의 제2회전요소인 제1선기어는 상기 제1클러치(13) 및 상기 제1모터제너레이터(9)에 연결되며, 상기 제1유성기어장치(1)의 제3회전요소인 제1링기어는 엔진(5)에 연결된다.
상기 제2유성기어장치(3)의 제1회전요소인 제2캐리어는 상기 제1캐리어와 함께 상기 출력축(7)에 직결되고, 상기 제2유성기어장치(3)의 제2회전요소인 제2선기어는 상기 제1클러치(13) 및 상기 브레이크수단인 제1브레이크(17)에 연결되며, 상기 제2유성기어장치(3)의 제3회전요소인 제2링기어는 상기 제2모터제너레이터(11)에 연결된다.
여기서, 상기 제1브레이크(17)는 변속기케이스 등과 같이 회전하지 않는 고정부재(19)에 대하여 상기 제2유성기어장치(3)의 제2선기어의 회전구속상태가 가변될 수 있도록 설치된다.
또한, 상기 제1모터제너레이터(9)와 제2모터제너레이터(11)는 도시되지 않은 인버터를 통하여 배터리(21)에 연결됨으로써, 상기 배터리(21)로 전기를 충전하거나 상기 배터리(21)로부터 제공되는 전기에너지로 기계적인 회전력을 출력할 수 있도록 되어 있다.
상기한 바와 같이 구성된 본 발명 차량의 하이브리드 구동장치의 작용을 도 2 내지 도 7을 참조하여 살펴본다.
도 3은 본 실시예의 하이브리드 구동장치가 전기차모드(EV: Electrical Vehicle mode)로 구동되는 상태를 설명한 것으로서, 상기 제1브레이크(17)가 상기 제2유성기어장치(3)의 제2선기어를 고정하고, 상기 제1클러치(13)와 제2클러치(15)는 모두 차단되어 있으며, 상기 제2링기어로 상기 제2모터제너레이터(11)로부터의 토크가 입력되는 상태이다.
따라서, 상기 제2유성기어장치(3)는 감속기로 작동하여 상기 제2링기어로 입력된 상기 제2모터제너레이터(11)의 동력은 상기 제2캐리어로 감속되어 출력축(7)을 통해 구동륜으로 인출된다.
이때, 상기 엔진(5)의 부하는 상기 제1모터제너레이터(9)보다 크므로, 상기 엔진(5)은 정지한 상태를 유지하고, 상기 제1캐리어로 전달되는 회전력에 의해 상기 제1선기어에 연결된 제1모터제너레이터(9)는 무부하 회전하는 상태가 된다.
이 상태에서는, 상기 제2유성기어장치(3)가 감속기 역할을 수행하므로 상기 제2모터제너레이터(11)를 상대적으로 저토크를 출력하는 모터로 사용할 수 있어서 상기 제2모터제너레이터(11)의 용량을 줄일 수 있는 장점을 제공한다.
도 4는 제1하이브리드모드를 구현하고 있는 상태로서, 상기 전기차모드에서 상기 제1모터제너레이터(9)의 속도를 조절하여, 상기 엔진(5)의 시동이 가능한 속도를 얻어냄으로써 상기 엔진(5)을 시동시켜서 엔진(5)으로부터도 동력이 인출되도록 한다.
상기와 같이 엔진(5)이 시동된 후에는, 그 때의 차량 주행 상태에 가장 적합한 엔진(5)의 최적운전점에서 상기 엔진(5)이 구동되도록 하면서, 상기 주행 상태를 확보함에 있어서 부족하거나 남는 동력은 상기 제1모터제너레이터(9)를 제어하여 보충하도록 한다.
참고로, 도 4의 좌측에는 상기 엔진(5)으로부터 전달받은 동력으로 상기 제1모터제너레이터(9)가 발전한 전기를 상기 제2모터제너레이터(11)로 전달하여, 상기 제2모터제너레이터(11)에서 발생된 동력과 상기 엔진(5)에서 제공되는 동력이 상기 출력축(7)을 통해 구동륜으로 전달되는 상태를 설명하고 있다.
도 5는 제2하이브리드모드를 설명하고 있는 것으로서, 상기 제1하이브리드모드로 운전 중 일정 속도 이상이 되었을 경우, 우측 상측의 레버해석도에 도시된 바와 같이, 상기 제1모터제너레이터(9)의 속도를 0이 되도록 제어한 후, 상기 제1클러치(13)를 체결하여 상기 제1선기어와 제2선기어가 서로 회전구속상태가 되도록 하고, 상기 제1브레이크(17)를 해제하여 구현한다.
하측의 레버해석도는 상기한 바와 같이 제1클러치(13)가 체결되고 상기 제1브레이크(17)가 해제된 후, 상기 제1모터제너레이터(9)의 속도가 0이 아닌 상태로 구동되는 경우를 도시하고 있다.
참고로, 도 5의 좌측에는 상기 제1모터제너레이터(9)와 제2모터제너레이터(11)가 상기 배터리(21)에서 제공하는 전기에너지를 받아 토크를 발생시키고, 이 토크들과 상기 엔진(5)에서 발생된 토크가 모두 출력축(7)을 통해 구 동륜으로 전달되고 있는 상태를 도시하고 있는 바, 본 실시예의 구동장치는 복합분기식(compound split type)으로 작동되는 상황으로서, 상기 엔진(5)을 최적의 운전점에서 구동되도록 상기 제1모터제너레이터(9)와 제2모터제너레이터(11)를 각각 제어하여 연비 및 배기가스를 저감하도록 한다.
도 6은 상기 제1하이브리드모드로 운행 중 제1유단기어모드로 주행하는 상태를 설명하고 있다.
상기 제1하이브리드모드로 주행 중, 상기 제1모터제너레이터(9)를 제어하여 속도가 0이 되도록 한 후, 상기 제1클러치(13)를 체결하여 제1유단기어모드로 진입한다.
이 상태에서는 상기 제1유성기어장치(1)의 제1선기어가 상기 제1브레이크(17)에 의해 고정된 상태이므로, 상기 제1링기어로 입력되는 상기 엔진(5)으로부터의 동력은 감속되어 상기 제1캐리어 및 제2캐리어를 통해 상기 출력축(7)으로 인출된다.
이 경우 상기 제1모터제너레이터(9)와 제2모터제너레이터(11)는 별도의 역할이 불필요하므로 무부하 회전을 하고 있는 상태로서, 상기 엔진(5)으로부터 동력은 순수하게 상기 제1유성기어장치(1)의 기어비에 의해 결정되는 일정한 변속비로 출력되게 되므로, 이를 유단기어모드라고 명명한 것이다.
따라서, 상기 제1모터제너레이터(9)와 제2모터제너레이터(11) 및 배터리(21) 사이에는 별도의 전기적 에너지의 수수가 없고, 순수하게 상기 엔진(5)에 의해서만 차량이 기계적인 동력 전달 경로를 통해 구동되고 있어서, 전기적 동력 흐름 및 변환이 배제됨으로써 에너지 손실을 최소화할 수 있게 된다.
이 상태는 상기한 바와 같이 상기 엔진(5)으로부터의 동력이 상기 제1유성기어장치(1)에 의해 감속되어 출력되므로 보다 강한 발진 가속 성능 및 등판성능을 제공할 수 있도록 한다.
도 7은 제2유단기어모드를 설명한 것으로서, 상기 제2하이브리드모드로 주행 중, 일정속도 이상이 되었을 경우에, 도 7의 우측 상측의 레버해석도와 같이, 상기 제1모터제너레이터(9)의 속도를 상기 엔진(5)의 속도와 일치하도록 제어한 후, 상기 제1클러치(13)를 해제하고 상기 제2클러치(15)를 체결한 후, 하측의 레버해석도와 같이 상기 제1브레이크(17)를 체결하여 구현한다.
상기 제2클러치(15)가 체결되면, 상기 제1유성기어장치(1)는 모든 회전요소가 일체화되어 단일 회전체로서 회전되며, 상기 제1캐리어가 상기 제2유성기어장치(3)의 제2캐리어에 직결되어 있으므로, 상기 제1유성기어장치(1)는 전체가 일체로 상기 제2캐리어 및 출력축(7)과 동일체가 되어 동일한 속도로 회전하게 된다.
따라서, 상기 엔진(5)에서 발생된 동력을 상기 제1유성기어장치(1) 전체와 상기 제2캐리어를 통해 출력축(7)으로 직접 인출되어 1:1의 변속비를 형성하게 되며, 상기 제1모터제너레이터(9)는 상기 엔진(5)과 동일한 속도로 무부하 회전을 하고, 상기 제2모터제너레이터(11)는 상기 제2선기어가 상기 제1브레이크(17)에 의해 고정되어 있으므로 상기 엔진(5)보다 빠른 속도로 무부하 회전을 하는 상태가 된다.
결국, 이 모드에서는 상기 엔진(5)으로부터의 출력이 그대로 출력축(7)에 직결되어 구동륜으로 인출되는 상태로서, 역시 상기 제1모터제너레이터(9)와 제2모터제너레이터(11)가 전기적인 작용을 하지 않으므로 전기적 에너지 흐름 및 변환과정이 배제되어 에너지 손실을 줄임으로써, 차량의 고속 주행 조건에서 하이브리드 구동장치 전체의 효율을 극대화할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 차량의 하이브리드 구동장치를 도시한 도면,
도 2는 도 1의 구동장치의 각 모드별 클러치 및 브레이크의 작동 상태표,
도 3은 도 1의 구동장치의 전기차모드를 설명한 도면,
도 4는 도 1의 구동장치의 제1하이브리드모드를 설명한 도면,
도 5는 도 1의 구동장치의 제2하이브리드모드를 설명한 도면,
도 6은 도 1의 구동장치의 제1유단기어모드를 설명한 도면,
도 7은 도 1의 구동장치의 제2유단기어모드를 설명한 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>
1; 제1유성기어장치 3; 제2유성기어장치
5; 엔진 7; 출력축
9; 제1모터제너레이터 11; 제2모터제너레이터
13; 제1클러치 15; 제2클러치
17; 제1브레이크 19; 고정부재
21; 배터리

Claims (7)

  1. 제1,2유성기어장치의 제1,2회전요소가 서로 고정 및 가변연결되고;
    상기 제1유성기어장치의 제1,2,3회전요소는 각각 출력축, 제1모터제너레이터, 엔진과 연결되며;
    상기 제2유성기어장치의 제1,2,3회전요소는 각각 상기 출력축, 브레이크수단, 제2모터제너레이터와 연결되고;
    상기 제1유성기어장치의 제1,2회전요소는 서로 가변연결된 것
    을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 구동장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1유성기어장치의 제2회전요소와 상기 제2유성기어장치의 제2회전요소 상호간의 회전구속상태를 가변할 수 있도록 제1클러치가 구비되고;
    상기 제1유성기어장치의 제1,2회전요소 상호간의 회전구속상태를 가변할 수 있도록 제2클러치가 구비된 것
    을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 구동장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1유성기어장치의 제1회전요소인 제1캐리어는 출력축에 직결되고;
    상기 제1유성기어장치의 제2회전요소인 제1선기어는 상기 제1클러치 및 상 기 제1모터제너레이터에 연결되며;
    상기 제1유성기어장치의 제3회전요소인 제1링기어는 엔진에 연결된 것
    을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 구동장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제2유성기어장치의 제1회전요소인 제2캐리어는 상기 제1캐리어와 함께 상기 출력축에 직결되고;
    상기 제2유성기어장치의 제2회전요소인 제2선기어는 상기 제1클러치 및 상기 브레이크수단인 제1브레이크에 연결되며;
    상기 제2유성기어장치의 제3회전요소인 제2링기어는 상기 제2모터제너레이터에 연결된 것
    을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 구동장치.
  5. 엔진과 제1모터제너레이터에 각각 연결되는 두 회전요소를 포함하는 적어도 3개의 회전요소를 구비한 제1유성기어장치와;
    출력축과 제2모터제너레이터 및 브레이크수단에 각각 연결되는 회전요소들을 포함하고, 상기 회전요소들 중 상기 출력축이 연결된 회전요소가 상기 제1유성기어장치의 한 회전요소와 직결된 제2유성기어장치와;
    상기 제1모터제너레이터에 연결된 상기 제1유성기어장치의 회전요소와 상기 브레이크수단에 연결된 상기 제2모터제너레이터의 회전요소 사이의 회전구속상태를 가변할 수 있도록 구비된 제1클러치와;
    상기 제1유성기어장치의 회전요소들 중 상기 출력축에 연결된 회전요소와 상기 제1모터제너레이터에 연결된 회전요소 사이의 회전구속상태를 가변할 수 있도록 구비된 제2클러치;
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 구동장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 엔진은 상기 제1모터제너레이터의 회전요소들 중 상기 출력축 및 제1모터제너레이터에 연결된 요소들 이외의 요소에 연결되고;
    상기 브레이크수단은 상기 제2모터제너레이터의 한 요소를 고정부재에 대해 회전구속상태를 가변할 수 있도록 구비된 제1브레이크로 구성된 것
    을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 구동장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1유성기어장치의 제1선기어가 상기 제1모터제너레이터에 연결되고, 제1캐리어가 상기 출력축에 연결되며, 제1링기어가 상기 엔진에 연결되고;
    상기 제2유성기어장치의 제2선기어가 상기 제1브레이크에 연결되며, 상기 제2캐리어가 상기 출력축에 연결되고, 상기 제2링기어가 상기 제2모터제너레이터에 연결되며;
    상기 제1클러치는 상기 제1선기어 및 제2선기어를 상호 회전구속상태를 가 변할 수 있도록 설치되고;
    상기 제2클러치는 상기 제1선기어 및 제2캐리어를 상호 회전구속상태를 가변할 수 있도록 설치된 것
    을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 구동장치.
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