KR20100015064A - 차량의 하이브리드 구동장치 - Google Patents

차량의 하이브리드 구동장치 Download PDF

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KR20100015064A
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송성재
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 래비뉴타입 유성기어장치를 사용하여 비교적 간단한 구조와 적은 부품을 사용하면서도, 입력분기식 또는 복합분기식으로 선택적으로 작동될 수 있도록 하여 비교적 넓은 구간에서 차량의 연비성능을 향상시킬 수 있으며, 오버드라이브 유단기어모드의 구현으로 고속에서의 연비성능을 극대화함은 물론, 언더드라이브 유단기어모드의 구현으로 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 방식 중 하나는, 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), 고속에서 동력 분기량이 커져서 파워트레인의 효율이 급격히 저하되는 문제점을 가지고 있다.
한편, 종래 모터제너레이터 2개를 사용하는 하이브리드 전기자동차용 파워트레인으로서 널리 사용되고 있는 방식 중 또 하나는, 두 모터제너레이터가 모두 출력축이나 입력축에 직결되지 않고 유성기어장치의 각기 다른 회전요소에 연결된 복합분기식(compound split) 구조를 가지고 있다.
상기한 바와 같은 구조의 파워트레인은 두 모터제너레이터 중의 하나의 미케니컬포인트가 상기 입력분기식에 비하여 낮은 변속비 쪽에 형성될 수 있어서, 상대적으로 고속 운전시에 파워트레인의 효율이 우수하게 확보될 수 있는 장점이 있으나, 상대적으로 저속에서는 동력 재순환에 따라 효율이 불리한 측면을 가지고 있다.
본 발명은 비교적 간단한 구조와 적은 부품을 사용하면서도, 입력분기식 또는 복합분기식으로 선택적으로 작동될 수 있도록 하여 비교적 넓은 구간에서 차량 의 연비성능을 향상시킬 수 있으며, 오버드라이브 유단기어모드의 구현으로 고속에서의 연비성능을 극대화함은 물론, 언더드라이브 유단기어모드의 구현으로 차량의 발진 가속성능 및 등판성능을 아울러 향상시킬 수 있도록 한 차량의 하이브리드 구동장치를 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 차량의 하이브리드 구동장치는
적어도 4개의 회전요소를 구비한 유성기어장치와;
상기 유성기어장치의 두 회전요소에 각각 연결된 엔진 및 제1모터제너레이터와;
상기 유성기어장치의 다른 두 회전요소에 각각 독립적으로 회전구속상태가 가변될 수 있도록 연결된 제2모터제너레이터와;
상기 제2모터제너레이터에 연결되는 상기 유성기어장치의 회전요소들 중 한 회전요소를 고정부재에 대하여 회전구속상태를 가변시킬 수 있도록 설치된 제1브레이크와;
상기 제1모터제너레이터에 연결된 상기 유성기어장치의 회전요소를 고정부재에 대하여 회전구속상태를 가변시킬 수 있도록 설치된 제2브레이크와;
상기 제2모터제너레이터에 연결된 상기 유성기어장치의 회전요소에 연결되는 출력축;
을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 유성기어장치는 래비뉴타입 유성기어장치이고;
상기 제2모터제너레이터는 상기 유성기어장치의 제2선기어에 제1클러치를 통해 연결되며, 제1링기어에 제2클러치를 통해 연결되고;
상기 제1브레이크는 상기 제2선기어의 회전구속상태를 가변시키도록 설치되며;
상기 제1링기어는 출력축에 연결된 구조로 할 수 있다.
상기 엔진은 상기 유성기어장치의 캐리어에 연결되고;
상기 제1모터제너레이터는 상기 유성기어장치의 제1선기어에 연결되며;
상기 제2브레이크는 상기 제1선기어의 회전구속상태를 가변시키도록 설치된 구조로 할 수 있다.
상기 유성기어장치는
레버해석도상에서, 상기 제1모터제너레이터에 연결된 회전요소와 상기 엔진에 연결된 회전요소 및 상기 제2모터제너레이터에 연결되는 두 회전요소의 순서로 직선상에 배치되고;
상기 제2모터제너레이터에 연결되는 두 회전요소는 상기 출력축에 연결되는 회전요소가 상기 엔진에 연결된 회전요소에 더 가깝게 배치되는 구조로 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 차량의 하이브리드 구동장치는
4개의 서로 다른 회전속도를 가질 수 있는 회전요소를 구비하고, 상기 각 회전요소에 엔진과 제1모터제너레이터 및 제2모터제너레이터가 중복되지 않게 연결된 유성기어장치와;
상기 제2모터제너레이터와 상기 유성기어장치의 한 회전요소 상호간의 회전구속상태를 가변시킬 수 있도록 연결하는 제1클러치와;
상기 제2모터제너레이터와 상기 유성기어장치의 다른 한 회전요소 상호간의 회전구속상태를 가변시킬 수 있도록 연결하는 제2클러치와;
상기 제1클러치를 통해 상기 제2모터제너레이터에 연결되는 상기 유성기어장치의 회전요소를 고정부재에 대하여 회전구속상태를 가변시킬 수 있도록 연결하는 제1브레이크와;
상기 제1모터제너레이터에 연결된 상기 유성기어장치의 회전요소를 고정부재에 대하여 회전구속상태를 가변시킬 수 있도록 연결하는 제2브레이크와;
상기 제2모터제너레이터에 상기 제2클러치로 연결된 상기 유성기어장치의 회전요소를 구동륜으로 연결하는 출력축;
을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 유성기어장치는 래비뉴타입 유성기어장치이고;
상기 유성기어장치의 제1선기어는 상기 제1모터제너레이터에 연결되며, 제2 선기어는 상기 제1클러치로 상기 제2모터제너레이터에 연결되고, 캐리어는 상기 엔진에 연결되며, 제1링기어는 상기 제2클러치로 상기 제2모터제너레이터에 연결되고;
상기 출력축은 상기 제1링기어에 연결된 구조로 할 수 있다.
상기 제1모터제너레이터와 제2모터제너레이터는 서로 전기적으로 연결될 수 있도록 구성되고;
상기 제1모터제너레이터와 제2모터제너레이터에 전기적으로 연결될 수 있는 배터리가 더 구비된 구성으로 할 수 있다.
본 발명은 비교적 간단한 구조와 적은 부품을 사용하면서도, 입력분기식 또는 복합분기식으로 선택적으로 작동될 수 있도록 하여 비교적 넓은 구간에서 차량의 연비성능을 향상시킬 수 있으며, 오버드라이브 유단기어모드의 구현으로 고속에서의 연비성능을 극대화함은 물론, 언더드라이브 유단기어모드의 구현으로 차량의 발진 가속성능 및 등판성능을 아울러 향상시킬 수 있도록 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명 실시예는 적어도 4개의 회전요소를 구비한 유성기어장치(1)와; 상기 유성기어장치(1)의 두 회전요소에 각각 연결된 엔진(3)및 제1모터제너레이터(5)와; 상기 유성기어장치(1)의 다른 두 회전요소에 각각 독립적으로 회전구속상태가 가변될 수 있도록 연결된 제2모터제너레이터(7)와; 상기 제2모터제 너레이터(7)에 연결되는 상기 유성기어장치(1)의 회전요소들 중 한 회전요소를 고정부재에 대하여 회전구속상태를 가변시킬 수 있도록 설치된 제1브레이크(9)와; 상기 제1모터제너레이터(5)에 연결된 상기 유성기어장치(1)의 회전요소를 고정부재에 대하여 회전구속상태를 가변시킬 수 있도록 설치된 제2브레이크(11)와; 상기 제2모터제너레이터(7)에 연결된 상기 유성기어장치(1)의 회전요소에 연결되는 출력축(13)을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 고정부재는 변속기케이스 등이 될 수 있다.
상기 유성기어장치(1)는 래비뉴타입 유성기어장치(1)이고, 상기 제2모터제너레이터(7)는 상기 유성기어장치(1)의 제2선기어에 제1클러치(15)를 통해 연결되며 제1링기어에는 제2클러치(17)를 통해 연결되고, 상기 제1브레이크(9)는 상기 제2선기어의 회전구속상태를 가변시키도록 설치되며, 상기 제1링기어는 출력축(13)에 연결된 구조이다.
상기 엔진은 상기 유성기어장치(1)의 캐리어에 연결되고, 상기 제1모터제너레이터(5)는 상기 유성기어장치(1)의 제1선기어에 연결되며, 상기 제2브레이크(11)는 상기 제1선기어의 회전구속상태를 가변시키도록 설치된다.
상기 유성기어장치(1)는 레버해석도상에서, 상기 제1모터제너레이터(5)에 연결된 회전요소와 상기 엔진에 연결된 회전요소 및 상기 제2모터제너레이터(7)에 연결되는 두 회전요소의 순서로 직선상에 배치되고, 상기 제2모터제너레이터(7)에 연결되는 두 회전요소는 상기 출력축(13)에 연결되는 회전요소가 상기 엔진에 연결된 회전요소에 더 가깝게 배치되는 구조를 가지게 된다.
상기 제1모터제너레이터(5)와 제2모터제너레이터(7)는 서로 전기적으로 연결될 수 있도록 구성되고, 상기 제1모터제너레이터(5)와 제2모터제너레이터(7)에 전기적으로 연결될 수 있는 배터리(19)가 더 구비되며, 도시되지 않은 인버터를 통해 상기 배터리(19)와 제1모터제너레이터(5) 및 제2모터제너레이터(7) 사이의 전기적 연결관계 및 동력 수수관계가 조절될 수 있게 된다.
이하, 도 2 내지 도 8을 참조하여 본 발명 하이브리드 구동장치의 각 주행모드별 작동상태를 살펴본다.
도 2는 각 모드별 클러치 및 브레이크의 작동상태를 정리한 도표이고, 도 3은 전기차모드인 EV모드를 설명한 것이다.
도 2와 도 3을 통해 알 수 있듯이, 이 모드는 상기 제2클러치(17)만 체결되고, 제1클러치(15)와 제1브레이크(9) 및 제2브레이크(11)가 모두 해제된 상태로서, 상기 제2모터제너레이터(7)가 상기 배터리(19)로부터 제공된 전기를 사용하여 구동력을 제공하고, 상기 엔진(3)은 정지한 상태이다.
이때, 상기 제2모터제너레이터(7)가 제공하는 구동력은 상기 제2클러치(17) 및 상기 제1링기어를 통해 상기 출력축(13)으로 직접 전달되어 차량을 구동하게 되며, 상기 정지해 있는 엔진(3)과 캐리어를 제외한 나머지 유성기어장치(1)의 구성요소 및 여기에 연결된 부품은 무부하로 회전하는 상태가 된다.
상기 제2모터제너레이터(7)가 출력축(13)에 직결된 구조이므로 상기 유성기어장치(1)의 효율을 고려할 필요 없이 시스템효율 측면에서 유리한 상태이며, 상기 제2모터제너레이터(7)로 차량의 속도를 제어하므로 엔진(3) 제어에 비해 제어가 용이한 장점을 가진다.
도 4는 하이브리드모드인 HEV1모드를 설명한 것으로서, 상기 EV모드로부터 상기 제1모터제너레이터(5)의 속도를 제어하여 상기 엔진(3)을 시동이 가능한 속도까지 상승시킴으로써, 상기 엔진(3)을 시동시켜서 진입하며, 클러치와 브레이크의 상태는 상기 EV모드와 동일한 상태를 유지하여 상기 제2클러치(17)만 작동된 상태이다.
상기와 같이 엔진(3)이 시동된 후 상기 제1모터제너레이터(5)의 속도 제어를 통해 상기 엔진(3)이 최적 운전점에서 구동할 수 있도록 한다.
이 상태는 상기 제1모터제너레이너와 제2모터제너레이터(7)를 제어함에 의해 전기적으로 무단변속기를 구현할 수 있는 ECVT[Electric Continuously Variable Transmission] 상태이며, 상기 제2모터제너레이터(7)가 상기 출력축(13)과 직결되어 있는 입력분기식 구조를 가지므로 상기 EV모드 운전 후 저속구간에서 고효율로 차량의 운행이 가능하다.
도 5는 하이브리드모드인 HEV2모드를 설명한 것으로서, 상기 HEV1모드 운전 중 고속으로 진입하였을 경우에, 상기 제1링기어와 상기 제2모터제너레이터(7)를 연결하던 상기 제2클러치(17)를 해제함과 동시에 상기 제1클러치(15)를 체결하여, 상기 제2모터제너레이터(7)를 상기 제2선기어에 연결시킴으로써 진입한다.
이때, 상기 제2선기어는 무부하로 회전하고 있던 상태이고 이외에 특별히 회전관성을 야기할 만한 부품이 연결되어 있지 않기 때문에 상기 제1클러치(15)를 체결하더라도 충격을 발생하지는 않는다.
이 상태는 상기 제1모터제너레이터(5)와 제2모터제너레이터(7)가 모두 입력축이나 출력축(13)에 직접적으로 연결되지 않은 복합분기식 구조를 가지므로, 상기 입력분기식인 HEV1모드에 비하여 상대적으로 고속에서의 시스템효율이 우수하다.
물론, 이 상태에서도 상기 제1모터제너레이터(5)와 제2모터제너레이터(7)를 제어함에 의해 전기적으로 무단변속기를 구현할 수 있는 ECVT가 구현된다.
도 6은 본 발명의 구동장치에서 구현할 수 있는 고정1단모드를 설명한 것으로서, 상기 HEV1모드 운전 중, 상기 제1모터제너레이터(5)를 제어하여, 상기 제2선기어의 속도를 0으로 조절한 후, 상기 제2클러치(17)를 해제함과 동시에 상기 제1브레이크(9)를 체결하여 상기 제2선기어를 고정시켜서 진입한다.
이 상태에서는 상기 제1모터제너레이터(5)와 제2모터제너레이터(7)를 반력요소 등으로 사용하지 않아도, 상기 엔진(3)으로부터의 동력이 상기 유성기어장치(1)가 제공하는 일정한 변속비에 따라 변속되어 출력되는 상태로서, 상기 제1모터제너레이터(5)와 제2모터제너레이터(7)의 전기적 동력 흐름이 배제되어 손실을 최소화하게 된다.
상기 캐리어로 전달된 엔진(3)의 동력은 상기 유성기어장치(1)의 기어잇수에 따른 고정된 변속비에 따라 상기 제1링기어를 통해 출력축(13)으로 감속되어 인 출되는 언더드라이브 유단기어 상태가 되므로, 차량의 가속 및 등판 능력을 향상시킬 수 있다.
도 7의 상태는 고정2단모드를 설명한 것으로서, 상기 HEV2모드 운전 중, 상기 제1모터제너레이터(5)를 제어하여 상기 제1링기어와 제2선기어의 속도가 같게 되도록 제어한 후, 상기 제2클러치(17)를 체결하여 진입한다.
즉, 상기 HEV2모드에서 이미 체결되어 있던 상기 제1클러치(15)와 함께 상기 제2클러치(17)를 추가로 체결함으로써, 상기 유성기어장치(1)는 상기 제1클러치(15)와 제2클러치(17)를 통해 상기 제2선기어와 제1링기어가 일체로 연결되는 상태가 되고, 이는 결과적으로 상기 유성기어장치(1) 전체의 회전요소들이 일체로 동일한 회전속도로 회전되도록 한다.
따라서, 상기 엔진(3)에서 출력된 동력은 그대로 상기 유성기어장치(1) 전체를 통해 출력축(13)으로 전달되는 1:1의 고정 변속단을 형성하게 된다.
이 상태에서도 본 발명 하이브리드 구동장치에는 전기적 동력 흐름이 배제되어 에너지 손실을 최소화할 수 있다는 장점이 있어서, 상기 고정1단모드보다 상대적으로 고속인 주행상태에서 우수한 연비특성을 확보할 수 있다.
도 8은 본 발명 구동장치가 구현할 수 있는 고정3단모드를 설명한 것으로서, 상기 HEV2모드 운전 중, 상기 제1모터제너레이터(5)를 제어하여 상기 제1선기어의 속도를 0으로 조절한 후, 상기 제1클러치(15)를 해제함과 동시에 상기 제2브레이크(11)를 체결하여 상기 제1선기어를 고정함으로써 진입한다.
이 상태에서는 엔진(3)의 동력을 상기 유성기어장치(1)의 고정된 기어비에 따른 변속비로 증속하여 상기 제1링기어를 통해 출력축(13)으로 인출하게 된다.
즉, 오버드라이브 유단기어 상태를 구현하는 것으로서, 역시 전기적 동력흐름이 배제되어 효율이 높고, 오버드라이브 상태이므로, 상기 고정2단모드보다도 더 고속인 상황에서, 차량의 연비특성을 우수하게 확보할 수 있는 장점이 있다.
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 EV모드를 설명한 도면,
도 4는 도 1의 구동장치의 HEV1모드를 설명한 도면,
도 5는 도 1의 구동장치의 HEV2모드를 설명한 도면,
도 6은 도 1의 구동장치의 고정1단모드를 설명한 도면,
도 7은 도 1의 구동장치의 고정2단모드를 설명한 도면,
도 8은 도 1의 구동장치의 고정3단모드를 설명한 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>
1; 유성기어장치 3; 엔진
5; 제1모터제너레이터 7; 제2모터제너레이터
9; 제1브레이크 11; 제2브레이크
13; 출력축 15; 제1클러치
17; 제2클러치 19; 배터리

Claims (7)

  1. 적어도 4개의 회전요소를 구비한 유성기어장치와;
    상기 유성기어장치의 두 회전요소에 각각 연결된 엔진 및 제1모터제너레이터와;
    상기 유성기어장치의 다른 두 회전요소에 각각 독립적으로 회전구속상태가 가변될 수 있도록 연결된 제2모터제너레이터와;
    상기 제2모터제너레이터에 연결되는 상기 유성기어장치의 회전요소들 중 한 회전요소를 고정부재에 대하여 회전구속상태를 가변시킬 수 있도록 설치된 제1브레이크와;
    상기 제1모터제너레이터에 연결된 상기 유성기어장치의 회전요소를 고정부재에 대하여 회전구속상태를 가변시킬 수 있도록 설치된 제2브레이크와;
    상기 제2모터제너레이터에 연결된 상기 유성기어장치의 회전요소에 연결되는 출력축;
    을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 구동장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 유성기어장치는 래비뉴타입 유성기어장치이고;
    상기 제2모터제너레이터는 상기 유성기어장치의 제2선기어에 제1클러치를 통해 연결되며, 제1링기어에 제2클러치를 통해 연결되고;
    상기 제1브레이크는 상기 제2선기어의 회전구속상태를 가변시키도록 설치되며;
    상기 제1링기어는 출력축에 연결된 것
    을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 구동장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 엔진은 상기 유성기어장치의 캐리어에 연결되고;
    상기 제1모터제너레이터는 상기 유성기어장치의 제1선기어에 연결되며;
    상기 제2브레이크는 상기 제1선기어의 회전구속상태를 가변시키도록 설치된 것
    을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 구동장치.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 유성기어장치는
    레버해석도상에서, 상기 제1모터제너레이터에 연결된 회전요소와 상기 엔진에 연결된 회전요소 및 상기 제2모터제너레이터에 연결되는 두 회전요소의 순서로 직선상에 배치되고;
    상기 제2모터제너레이터에 연결되는 두 회전요소는 상기 출력축에 연결되는 회전요소가 상기 엔진에 연결된 회전요소에 더 가깝게 배치되는 것
    을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 구동장치.
  5. 4개의 서로 다른 회전속도를 가질 수 있는 회전요소를 구비하고, 상기 각 회전요소에 엔진과 제1모터제너레이터 및 제2모터제너레이터가 중복되지 않게 연결된 유성기어장치와;
    상기 제2모터제너레이터와 상기 유성기어장치의 한 회전요소 상호간의 회전구속상태를 가변시킬 수 있도록 연결하는 제1클러치와;
    상기 제2모터제너레이터와 상기 유성기어장치의 다른 한 회전요소 상호간의 회전구속상태를 가변시킬 수 있도록 연결하는 제2클러치와;
    상기 제1클러치를 통해 상기 제2모터제너레이터에 연결되는 상기 유성기어장치의 회전요소를 고정부재에 대하여 회전구속상태를 가변시킬 수 있도록 연결하는 제1브레이크와;
    상기 제1모터제너레이터에 연결된 상기 유성기어장치의 회전요소를 고정부재에 대하여 회전구속상태를 가변시킬 수 있도록 연결하는 제2브레이크와;
    상기 제2모터제너레이터에 상기 제2클러치로 연결된 상기 유성기어장치의 회전요소를 구동륜으로 연결하는 출력축;
    을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 구동장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 유성기어장치는 래비뉴타입 유성기어장치이고;
    상기 유성기어장치의 제1선기어는 상기 제1모터제너레이터에 연결되며, 제2선기어는 상기 제1클러치로 상기 제2모터제너레이터에 연결되고, 캐리어는 상기 엔 진에 연결되며, 제1링기어는 상기 제2클러치로 상기 제2모터제너레이터에 연결되고;
    상기 출력축은 상기 제1링기어에 연결된 것;
    을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 구동장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1모터제너레이터와 제2모터제너레이터는 서로 전기적으로 연결될 수 있도록 구성되고;
    상기 제1모터제너레이터와 제2모터제너레이터에 전기적으로 연결될 수 있는 배터리가 더 구비된 것
    을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 구동장치.
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