KR20120085733A

KR20120085733A - 하이브리드 전기 차량의 동력 시스템

Info

Publication number: KR20120085733A
Application number: KR1020127004909A
Authority: KR
Inventors: 슈푸 리; 지안 양; 통 장; 웨이 유; 지타오 마; 하이셩 유
Original assignee: 쩌지앙 길리 홀딩 그룹 씨오., 엘티디.; 상하이 메이플 구오런 오토모빌 씨오., 엘티디.
Priority date: 2009-08-24
Filing date: 2010-08-24
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2030-08-24
Also published as: EP2472144A1; CN101992679A; JP2013502346A; JP5784606B2; US8382624B2; CN101992679B; KR101700676B1; US20120208664A1; WO2011022940A1; EP2472144A4; EP2472144B1

Abstract

하이브리드 전기 차량용 동력 시스템은 엔진(1), 제1 모터(2), 제2 모터(3), 및 변속 장치를 포함한다. 상기 변속 장치는 제1 유성 기어 열과 제2 유성 기어 열을 가진 이중 열 형태의 유성 기어 세트(5)를 구비한다. 이 엔진(1)은 상기 유성 기어 세트(5)의 일측에 배치되며, 상기 제1 모터(2)와 제2 모터(3)는 상기 유성 기어 세트(5)의 타측에 배치된다. 상기 제1 유성 기어 열은 소형 태양 기어(6), 유성 캐리어(7), 짧은 유성 기어(8), 그리고 외측 링 기어(9)를 포함한다. 상기 제2 유성 기어 열은 대형 태양 기어(10), 긴 유성 기어(11), 그리고 상기 제1 유성 기어 열과 공유되는 상기 유성 캐리어(7)를 포함한다. 상기 긴 유성 기어(11)는 상기 짧은 유성 기어(8)와 상기 대형 태양 기어(10)와 맞물린다. 동력 시스템은 밀집 구조를 가지며, 동력원에 대한 낮은 요건을 가지며, 다중 제어 모드를 실현할 수 있다.

Description

하이브리드 전기 차량의 동력 시스템{POWER SYSTEM OF HYBRID ELECTRIC VEHICLE}

본 발명은 하이브리드 전기 차량용 파워트레인에 관한 것이며, 구체적으로는 하이브리드 전기 차량에 사용되고 동력원을 배가하기 위해 이중 유성 기어 열을 구비한 유성 기어 세트를 사용하는 파워트레인에 관한 것이다

에너지의 부족, 대중 환경 인식의 향상, 및 정부의 엄격한 규제의 증가로 인해, 친환경 전기 차량과 연료 전지 차량이 등장하였다. 그러나 기술에 대한 다양한 제약으로 인해 그러한 형태의 차량을 단시간 내에 광범위하게 대중화하는 것은 곤란하다. 따라서 기술적인 면에서 상대적으로 발달되었던 하이브리드 전기 차량이 현재로선 비교적 바람직한 선택이다.

새로운 형태의 에너지 절감형 친환경 차량으로서, 하이브리드 전기 차량(HEV) 은 기술과 시장의 측면에서 급성장 중이다. 통상적인 내연 기관 차량 및 순수한 전기 차량과 비교할 때 하이브리드 전기 차량의 가장 큰 차이점은 파워트레인(powertrain)이다.

하이브리드 전기 차량의 병렬 구성과 혼성 구성에서, 동력 결합 시스템이 하이브리드 전기 차량의 다중 동력부와 함께 조합되고, 이에 따라 다중 동력원 사이에서 합리적인 동력 분배를 실현하고, 동력을 구동축으로 전달한다. 따라서 동력 결합 시스템은 하이브리드 전기 차량의 개발에 있어서 중요한 역할을 하며, 그의 성능은 하이브리드 전기 차량 전체 성능이 설계 요건에 도달하는지 여부와 하이브리드 전기 차량의 가장 중요한 부분인지 여부와 직접적으로 관련이 있다.

유성 기어 세트는 다중 자유도와 유연한 입력/출력 제어 능력에 특징이 있고, 밀집 구조, 적은 부피, 그리고 광범위한 속도비를 가지므로, 하이브리드 전기 차량의 동력 결합 시스템에 점점 더 채용되고 있다. 이것은 또한 오늘날의 하이브리드 전기 차량의 동력 조립체의 발달 경향이다.

도요타(Toyota)는 1997년에 첫 번째 하이브리드 전기 차량인 프리우스(Prius)를 제안했으며, 또 최신식의 3세대 전기 기계 하이브리드 파워트레인을 탑재한 프리우스 2006를 제안하였다. 도요타는 여전히 혼성 구성을 가진 하이브리드 파워트레인 THS를 활용하고 있으며, 여기서 유성 기어 시스템이 엔진으로부터의 출력 동력을 재분배하여 엔진 부하를 합리적으로 균형을 맞추는 목적을 달성한다.

도 1은 도요타 프리우스 하이브리드 전기차의 파워트레인의 구조적인 원리도를 보여주고 있다. 그 파워트레인은 엔진(E), 모터(MG1), 모터(MG2), 및 단일 유성 기어 열 등으로 구성된 유성 기어 세트를 포함하는 동력 결합 시스템(power coupling system)을 포함한다. 이러한 파워트레인에서, 엔진(E)은 충격 흡수 댐퍼를 통해 단일 유성 기어 열로 구성된 유성 기어 세트의 유성 캐리어(a)에 연결되고, 동력을 유성 기어(b)를 경유하여 외측 링 기어(c)와 태양 기어(d)로 전달한다. 외측 링 기어(c)는 출력 샤프트에 연결되며, 이 출력 샤프트는 감속 기어 세트(e)를 통해 모터(MG2)의 회전자에 연결된다. 태양 기어(d)는 모터(MG1)의 회전자에 연결된다. 출력 샤프트는 동력을 체인 구동 시스템(f), 주 감속기(g), 차동장치(h)를 통해 바퀴로 전달한다. 이 시스템은 엔진(E)의 토크의 대부분을 직접 출력 샤프트로 전달하고, 토크의 일부분을 전기 생성을 위해 모터(MG1)로 전달한다. 모터(MG1)에 의해 생성된 전기 에너지는 배터리를 충전하거나, 모터(MG2)를 구동시켜 명령에 따른 구동력을 증가시키는 데에 사용된다. 이러한 구조는 토크 및 모터(MG1)의 회전 속도를 조절함으로써 항상 엔진을 효율적인 영역 또는 낮은 방출 영역에 있도록 할 수 있다. 게다가 유성 기어 세트의 다양한 요소의 회전 속도를 조정함으로써 유성 기어 세트가 무단변속기(continuously variable transmission)와 유사한 방식으로 작동할 수 있다.

그러나 상술한 파워트레인의 두 모터(MG1, MG2)는 하나의 단일 유성 기어 열로 구성된 유성 기어 세트의 양측에 배치되어 한 세트의 냉각 시스템을 공유하기 때문에, 모터 냉각 시스템의 배열이 복잡하고, 모터 시스템의 집적도가 낮고, 유성 기어 세트의 양측의 구동 샤프트는 길이가 상이하고, 전방 운전실(nose cabin)의 배열을 용이하지 못하게 한다. 게다가 모터(MG1)와 엔진(E)은 유성 기어 세트와 동일한 쪽에 병렬로 배치되어 있고, 이들 사이의 거리가 짧기 때문에 모터(MG1)의 최적 작동 온도가 섭씨 60도이지만, 엔진(E)의 최적 작동 온도는 섭씨 90도이다. 모터(MG1)가 엔진(E)의 열 분산(heat dissipation)의 영향으로 신속하게 가열되며, 대응하는 모터 냉각 시스템을 고부하 작동 상태로 종종 만들며, 전체 차량의 효율에 영향을 미친다.

전술한 파워트레인은 하나의 단일 유성 기어 열로 구성된 유성 기어 세트를 사용하기 때문에 그의 감속비 범위가 작고, 이에 따라 모터의 회전 속도의 넓은 가변 범위가 요구되며, 모터가 큰 토크를 필요로 한다. 따라서 제조 정밀도, 회전 속도/토크 특성, 그리고 모터의 동적 균형에 대한 요건이 매우 엄격하다. 적합한 감속비를 달성하기 위해, 출력 샤프트의 감속 장치는 체인 구동 시스템(f)과 주 감속기(g)를 포함한 다단계 구동 부품을 사용하며, 이것은 시스템의 복잡성을 더욱 증가시키고, 공간 배열에 대한 시스템의 요건을 높인다.

중국 특허 문헌 CN 101149094A에는 두 개의 유성 기어 열로 구성된 유성 기어 시스템에 기초한 하이브리드 구동 장치가 개시되어 있다. 이 하이브리드 구동 장치는 내열 기관, 모터, 동력 출력부 및 전후방 유성 기어 열을 포함한다. 여기서 전방 유성 기어 세트의 유성 캐리어는 후방 유성 기어 세트의 링 기어에 연결되며, 전후방 유성 기어 세트의 태양 기어들은 모터 샤프트에 공통으로 연결된다. 엔진은 전방 유성 기어 세트의 링 기어 또는 유성 캐리어에 클러치를 매개하여 선택적으로 연결된다. 후방 유성 기어 세트의 유성 캐리어는 출력부에 연결된다. 전후방 유성 기어 세트가 병렬로 배열되어 있기 때문에, 상대적으로 대형의 치수를 가지며, 그 구조는 충분히 밀집되지 못하고 있다. 단지 두 개의 입력 샤프트와 하나의 모터가 존재하기 때문에 모터를 제어하는데 필요한 요건이 높다.

따라서 당업계에서는 하이브리드 전기 차량의 파워트레인, 특히 그 동력원 결합 구조 또는 그의 구동장치를 개선할 필요성이 존재한다.

본 발명은 종래의 하이브리드 파워트레인에 존재하는, 유성 기어 세트의 좁은 감속비 범위와, 밀집되지 아니한 구조, 모터 성능에 대한 높은 요건, 모터의 낮은 집적도, 그리고 복잡한 냉각 시스템 중의 적어도 하나 이상을 극복할 수 있고, 이에 따라 밀집 구조, 높은 구동 효율, 넓은 감속비 범위, 모터의 토크와 같은 성능에 대한 낮은 요건, 그리고 그 냉각 시스템에 대한 단순 용이한 제어 능력, 등 중의 적어도 하나 이상을 가지는 하이브리드 전기 차량용 파워트레인을 제공한다.

전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 아래의 해결책을 채용한다.

하이브리드 전기 차량용 파워트레인은 엔진, 제1 모터, 제2 모터, 및 변속 장치를 포함하며, 상기 변속 장치는 제1 유성 기어 열과 제2 유성 기어 열을 포함하는 이중 유성 기어 열을 갖는 유성 기어 세트를 구비하며, 상기 엔진은 상기 유성 기어 세트의 일측에 배치되며, 상기 제1 모터와 제2 모터는 상기 유성 기어 세트의 타측에 배치되며, 상기 제1 유성 기어 열은 소형 태양 기어, 유성 캐리어, 짧은 유성 기어, 그리고 외측 링 기어를 포함하며, 상기 제2 유성 기어 열은 대형 태양 기어, 긴 유성 기어, 그리고 상기 제1 유성 기어 열과 공유되는 상기 유성 캐리어(7)를 포함하며, 상기 긴 유성 기어는 상기 짧은 유성 기어와 상기 대형 태양 기어와 각각 맞물리며, 상기 대형 태양 기어의 스핀들은 상기 소형 태양 기어의 스핀들에 회전 가능하게 슬리브 결합되며, 상기 엔진의 크랭크 샤프트는 상기 유성 캐리어에 연결되며, 상기 외측 링 기어는 동력을 출력하며, 상기 소형 태양 기어의 스핀들은 상기 제1 모터의 회전자와 연결되며, 상기 소형 태양 기어의 스핀들의 연장부는 제2 락 업 클러치의 일측에 연결되어 상기 소형 태양 기어의 스핀들을 선택적으로 직결시키며, 상기 대형 태양 기어의 스핀들은 상기 제2 모터의 회전자와 연결되며, 상기 유성 캐리어는 제1 락 업 클러치의 일측에 연결되어 상기 유성 캐리어를 선택적으로 직결시킨다.

본 발명에서 제1 모터는 전기 생성 목적으로 주로 사용되는 반면에, 제2 모터는 구동용으로 주로 사용된다. 이중 유성 기어 열을 가진 채용된 유성 기어 세트는 라비노(Ravigneaux) 기어 변속 기구로부터 진화한 것이다. 세 개의 입력 샤프트와 한 개의 출력 샤프트를 구비한 4-샤프트 시스템이기 때문에, 이 시스템은 단일 유성 기어 열을 가진 통상의 3-샤프트 구동 시스템보다 더 많은 제어 모드를 가지며, 제1 모터와 제2 모터의 토크를 제어함으로써 엔진을 고효율 또는 저배기라는 최적 작동 조건으로 만드는 것을 용이하게 하며, 시스템의 구동 효율을 증가시키고, 배기를 낮추고, 에너지를 절감한다. 현재의 라비노 기어 변속 기구와 비교하면, 본 발명은 제2 모터에 연결된 유성 기어 열의 구동비를 감소시키며, 이에 의해 제2 모터의 회전 속도 및 토크에 대한 요구를 감소시킬 수 있으며, 그 결과 제2 모터의 제조 곤란성 및 비용이 효과적으로 낮아진다. 게다가 시스템의 감속비가 이중 유성 기어 열을 가진 구동 기구를 사용하여 증가됨에 따라, 주 감속기의 구조가 단순화되며, 두 개의 유성 기어 열이 통합되며, 구조를 크게 단순화시키며, 그 형상 치수를 확실하게 감소시키며, 공간 배열을 용이하게 한다.

본 발명이 개선된 라비노 기어 변속 기구를 채용함에 따라, 소형 태양 기어와 태양 기어에 각각 연결된 제1 모터와 제2 모터가 엔진 크랭크 샤프트로부터 이격된 이중 유성 기어 열을 가진 유성 기어 세트의 일측에 배치될 수 있으며, 이에 의해 제1 모터 및 제2 모터에 대한 엔진의 열 분산의 영향을 회피하고, 제1 모터 및 제2 모터의 통합을 용이하게 하며, 모터 냉각 시스템의 구조와 제어를 효과적으로 단순화하며, 구동 장치의 효율을 증가시키며, 그러는 과정에서 유성 기어 세트의 양측에서의 구동 샤프트 길이를 서로 비슷하게 하여 전방 운전실의 배열에 유리하게 할 수 있다.

바람직하게는 상기 제1 모터 및 제2 모터가 통합된다. 이들 제1 모터와 제2 모터가 통합되면, 그 냉각 시스템의 구조를 단순화할 뿐만 아니라 냉각 시스템에 대한 제어를 용이하게 하며, 그러는 과정에서 제1 모터와 제2 모터의 신뢰성 및 안정성의 증가를 용이하게 한다.

바람직하게는, 상기 짧은 유성 기어와 긴 유성 기어의 개수는 각각 3개 또는 4개이며, 이들 유성 기어가 균일한 간격을 두고 원주방향으로 배열되며, 이에 의해 전체 유성 기어 열의 균일한 부하 인가를 용이하게 한다.

바람직하게는 상기 외측 링 기어는 기어 세트 동력전달 기구로서 역할을 하는 주 감소기에 연결되어 동력을 출력하며, 이에 의해 전체 구동 장치의 구조를 더욱 밀집시킨다.

바람직하게는 제1 락 업 클러치의 타측은 상기 유성 기어 세트, 상기 제1 모터 및 상기 제2 모터를 둘러싸는 하우징에 연결되며, 제2 락 업 클러치의 타측은 상기 하우징에 연결된다.

바람직하게는, 상기 하이브리드 전기 차량에 시동이 걸리면, 상기 제1 락 업 클러치는 상기 유성 캐리어를 직결하도록 맞물리며, 이어서 엔진의 크랭크 샤프트를 직결하며, 상기 제2 모터는 차량의 시동을 걸기 위해 구동 조건으로 존재한다.

바람직하게는, 상기 하이브리드 전기 차량이 순수한 전기 구동 모드에 있을 때, 상기 제1 락 업 클러치는 상기 엔진을 직결하도록 맞물리며, 상기 제2 모터는 동력원으로서 작동하여 하이브리드 전기 차량을 추진시킨다.

바람직하게는, 상기 하이브리드 전기 차량이 혼성 구동 모드에 있을 때, 상기 엔진, 상기 제1 모터, 그리고 상기 제2 모터는 연동하여 동력을 출력하는 한편, 상기 엔진은 원하는 작동 영역에 존재하며, 상기 제1 모터는 전기 생성을 위해 사용되거나 직결되며, 상기 제2 모터는 보조 동력을 제공하는 데에 사용된다.

바람직하게는, 상기 하이브리드 전기 차량이 주차 및 충전 모드에 있을 때, 상기 외측 링 기어는 잠금되며, 상기 엔진은 상기 제1 모터 및/또는 상기 제2 모터를 구동시켜 배터리를 충전시킨다.

바람직하게는, 상기 하이브리드 전기 차량이 재생 제동 모드에 있을 때, 상기 엔진은 잠금되며, 상기 외측 링 기어는 동력 입력부로서 역할을 하여 상기 제1 모터 및 상기 제2 모터를 구동시켜 전기를 생성한다.

따라서, 본 발명은 하기의 유리한 효과를 가질 수 있다: (1) 개선된 라비노 유성 기어 구동 기구를 채용하여 제2 모터의 설계 및 제조에 대한 시스템의 요건을 낮추며; (2) 두 대의 모터를 제어해서 엔진을 항상 최적 작동 영역에서 작동시킴으로써 구동 효율을 증가시키고 배기를 낮추며; (3) 클러치에 의해 제1 모터를 직결하며, 이에 의해 제로 회전 속도 근처에서 작동하는 제1 모터를 피하고 시스템의 효율을 증가시키며; (4) 순수한 전기 구동 모드에서, 락 업 클러치에 의해 엔진을 직결하여 엔진이 역방향으로 회전하는 것을 피하고, 시스템의 제어를 단순화하며; (5) 두 대의 모터가 엔진으로부터 이격된 유성 기어 열의 일측에 배치되어 서로 통합되며, 이들 모터에 대한 엔진의 열 분산의 영향을 피하며, 모터 냉각 시스템의 구조 및 제어를 단순화하며, 시스템 효율을 증가시킨다.

본 발명의 다른 바람직한 특징 및 특성은 첨부한 도면을 고려하고 아래의 상세한 설명을 참조하면 자명하게 될 것이다. 도면에서,
도 1은 도요타 프리우스 하이브리드 파워트레인의 구조 원리도이며,
도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 전기 차량용 파워트레인의 구조 원리도이다.

아래의 상세한 설명은 특성상 단지 예시적이며, 응용 또는 용도에 제한을 두려는 의도는 없다. 게다가 본 발명은 이전의 기술분야, 배경기술, 발명의 요약 또는 하기 설명에서 언급되거나 제안되는 어떠한 이론에 의해 구속을 받으려는 의도는 없다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따라 이중 유성 기어 열을 구비한 4-샤프트 하이브리드 동력 장치를 보여주고 있다. 도 2에 도시된 실시형태에서, 본 발명의 하이브리드 파워트레인은 엔진(1), 제1 모터(2), 제2 모터(3), 이들 동력원을 함께 결합시키는 이중 유성 기어 열을 구비한 유성 기어 세트(5)를 포함한다. 하우징(20)은 유성 기어 세트(5), 제1 모터(2), 제2 모터(3), 그리고 다른 관련 부품을 둘러쌀 수 있다.

도 2의 실시형태에서, 엔진(1)은 유성 기어 세트(5)의 좌측에 위치하며, 제1 모터(2)와 제2 모터(3)는 유성 기어 세트(5)의 우측에 위치한다. 물론, 특정의 응용 요구에 따라 그러한 배열은 변할 수 있다. 예를 들면, 엔진(1)은 유성 기어 세트(5)의 우측에 위치하며, 제1 모터(2)와 제2 모터(3)는 유성 기어 세트(5)의 좌측에 위치한다.

이중 유성 기어 열을 구비한 유성 기어 세트(5)는 라비노(Ravigneaux) 유성 기어 기구로부터 진화할 수도 있고, 제1 유성 기어 열과 제2 유성 기어 열을 포함한다. 제1 유성 기어 열은 소형 태양 기어(6), 유성 캐리어(7), 유성 캐리어(7)에 배치된 짧은 유성 기어(8), 그리고 외측 링 기어(9)를 포함한다. 짧은 유성 기어(8)는 소형 태양 기어(6)와 외측 링 기어(9)에 맞물린다. 힘의 균형을 위해, 짧은 유성 기어(8)의 개수는 3개 또는 4개가 될 수 있고, 이들 짧은 유성 기어(8)는 균일한 간격을 두고 원주방향으로 배열되어 있다. 그러나 다른 실시형태에서는 짧은 유성 기어(8)의 상이한 개수 및 배열이 필요에 따라 설정될 수 있다. 엔진의 크랭크 샤프트(12)는 하나의 충격 흡수 댐퍼(15)와 관련 샤프트를 통해 유성 캐리어(7)에 연결되며, 외측 링 기어(9)는 기어 세트로 구성된 주 감속기(4)를 통해 차동장치의 기어(16)에 연결될 수 있다.

주 감속기(4)는 외측 링 기어(9)와 충격 흡수 댐퍼(15) 사이에 배치되고 외측 링 기어(9)에 연결된 주 감속 기어(17)와, 주 감속 기어(17) 옆에 배치되고 이와 맞물리는 주 감속 입력 기어(19)와, 주 감속 입력 기어(18)에 동축으로 연결된 주 감속 출력 기어(19)를 포함한다. 주 감속 출력 기어(19)는 차동장치 기어(16)와 맞물려서 동력을 출력한다. 제1 유성 기어 열의 소형 태양 기어의 스핀들은 이중 유성 기어 열(5)의 우측에 배치된 제1 모터의 회전자에 연결되며, 스핀들의 연장부는 제2 락 업 클러치(second lock-up clutch)(14)의 일측에 연결되며, 제2 락 업 클러치(14)의 타측은 하우징(20)에 연결된다. 제2 락 업 클러치(14)는 선택적으로 맞물려서 소형 태양 기어를 하우징(20)에 확실하게 연결시킨다.

유성 기어 세트(5)의 제2 유성 기어 열은 소형 태양 기어(6)의 스핀들에 회전 가능하게 슬리브 결합된 대형 태양 기어(10)와, 제1 유성 기어 열의 유성 캐리어(7)에 또한 배열된 긴 유성 기어(11)를 포함한다. 긴 유성 기어(11)는 짧은 유성 기어(8)뿐만 아니라 대형 태양 기어(10)와 맞물리지만, 외측 링 기어(9)와 맞물리지는 않는다. 짧은 유성 기어(8)와 마찬가지로, 긴 유성 기어(11)도 3개 또는 4개가 균일한 간격을 두고 원주 방향으로 배열될 수도 있다. 그러나 다른 실시형태에서 긴 유성 기어(11)의 상이한 개수 및 배열이 필요에 따라 설정될 수 있다. 대형 태양 기어(10)의 스핀들이 제1 모터(2)와 유성 기어 세트(5) 사이에 배열된 제2 모터(3)의 회전자에 연결된다. 짧은 유성 기어(8)를 장착하기 위한 유성 캐리어(7) 상의 짧은 유성 기어 스핀들은 그 우측 연장 단부에서 제1 락 업 클러치(13)의 일측과 연결되며, 제1 락 업 클러치(13)의 타측은 하우징(20)에 고정되어 있다. 제1 락 업 클러치(13)가 선택적으로 맞물려서 유성 캐리어(7)를 직결(lock)시키는 경우, 이와 연결된 엔진(1)도 직결된다. 물론 이러한 파워트레인은 다른 부품, 예컨대 외측 링 기어(9)를 직결하기 위한 락 업 클러치, 등을 포함할 수 있지만, 세부사항은 여기에 언급되지 않을 것이다.

유성 기어 세트(5)의 우측에 모두 배치되어 있는 제1 모터(2)와 제2 모터(3)는 실질적으로 통합될 수 있고, 한 세트의 냉각 시스템을 공유하여 그 제조뿐만 아니라 냉각 시스템의 제어를 용이하게 한다. 다른 장치와 비교하면, 냉각 시스템의 구조는 단순화되었고, 고온의 엔진에 의해 영향을 받지 않을 것이며, 효율을 상승시킨다.

본 발명의 동력원의 변속 장치에 채용된 이중 유성 기어 열을 구비한 유성 기어 세트로 인해, 무단변속이 실현될 수 있다. 이들 3종의 동력원, 즉 엔진(1), 제2 모터(3), 및 제1 모터(2)에 의해 입력된 토크는 본 발명의 변속 장치에 의해 결합된 후에 출력부로 전달되며, 이어서 주 감속기(4)를 통해 차동장치(21)에 전달되며, 최종적으로는 바퀴에 전달된다. 따라서, 실제 사용에 있어서 이들 세 동력원에 연결된 세 입력부의 작동 모드와 조건의 상이한 조합은 다양한 출력 모드를 만들 수 있다. 하기 설명은 차량이 4종의 통상적인 모드, 즉 시동, 구동, 후진, 주차 모드에 있을 때 동력원들 또는 입력부들의 통상적인 동작 및 대응하는 동력 전달 경로에 관한 것이다.

시동 조건

시동 시에는 전기 시동이 주로 사용된다. 엔진(1)이 역방향으로 회전하는 것을 방지하기 위해 제1 락 업 클러치(13)가 사용되어 엔진(1)을 직결시킨다. 제2 모터(3)는 구동 모드에 있고, 그 토크는 대형 태양 기어(10), 긴 유성 기어(11), 짧은 유성 기어(8), 외측 링 기어(9), 주 감속기(4), 및 차동장치(21)를 통해 바퀴로 전달되며, 이에 의해 차량을 구동시켜 시동을 건다. 한편, 짧은 유성 기어(8)는 소형 태양 기어(6)를 구동시켜 공회전시킨다. 게다가 배터리가 충전량이 부족하면, 전기 기계적인 혼성 모드가 채택되어 제2 락 업 클러치(14)를 사용하여 제1 모터(2)를 직결시키고, 제1 락 업 클러치(13)를 분리시킬 수 있다. 이때, 제2 모터(3)의 토크는 대형 태양 기어(10), 긴 유성 기어(11), 짧은 유성 기어(8), 외측 링 기어(9), 주 감속기(4), 및 차동장치(21)를 통해 바퀴로 전달되어 차량을 구동시켜 시동을 건다. 이와 동시에 짧은 유성 기어(8)는 유성 캐리어(7)를 구동시켜 회전시키고, 충격 흡수 댐퍼(17)를 통해 엔진(1)의 시동을 걸며, 그 결과 배터리는 엔진(1)에 의해 충전된다.

구동 조건

순수한 전기 구동 모드가 채택된 경우, 엔진(1)은 제1 락 업 클러치(13)에 의해 직결되며, 출력부의 토크와 회전 속도는 제2 모터(3)의 토크와 회전 속도를 변화시킴으로써 변하여 차량의 가속도와 속도를 제어한다. 본 발명의 파워트레인이 순수한 전기 구동 모드에 있을 때 유성 캐리어(7)에 배치된 제1 락 업 클러치(13)는 유성 캐리어(7)뿐만 아니라 이와 연결된 엔진 크랭크 샤프트(12)를 직결시켜서 엔진 크랭크 샤프트의 역방향 회전을 피하며, 순수한 전기 구동 시의 시스템 제어의 복잡성을 감소시킨다.

전기 기계적인 혼성 모드가 채택된 경우, 엔진(1)의 시동이 걸리고, 제2 락 업 클러치(14)는 분리되고, 제1 모터(2)는 전기 발생 조건으로 전환된다. 제1 모터(2)와 제2 모터(3)의 토크를 조절함으로써, 출력부는 가속되고, 엔진(1)의 토크의 일부분이 전기 생성을 위해 소형 태양 기어(6)를 통해 제1 모터(2)로 전달되어 배터리를 충전시킨다. 그 결과 엔진(1)은 원하는 작동 영역에 머물고, 연비를 증가시킨다. 차량이 전기 기계적인 혼성 모드에서 고속으로 주행하는 경우, 제1 모터(2)는 제2 락 업 클러치(14)를 사용하여 직결될 수 있으며, 엔진의 전체 토크가 변속 효율을 증가시키기 위해 출력부로 전달되는 것을 보장한다. 이때 제2 모터(3)는 보조 동력부로서 역할을 하며, 엔진(1)이 항상 최적 작동 조건에 머물게 하여 에너지를 절감하는 것을 보장한다.

차량이 고속으로 주행할 때, 제1 모터(2)의 회전 속도는 제로 회전 속도 근처로 제어되어 엔진의 동력 출력을 조절할 필요가 있다. 따라서 제1 모터(2)의 효율은 매우 낮고, 시스템의 출력 동력과 동력 요구는 늘 변동하고, 어느 정도 이력(hysteresis)이 존재한다. 이들 모두는 제어 곤란성을 증가시키며, 본 발명은 제1 모터(2)의 스핀들에 배치된 제2 락 업 클러치(14)에 의해 제1 모터(2)를 직결시킴으로써 제1 모터(2)가 제로 회전 속도 근처에서 작동하는 것을 피하며, 전체 차량의 변속 효율을 뚜렷하게 증가시킨다.

후진 조건

차량이 제1 락 업 클러치(13)를 사용해서 엔진(1)을 직결시킴으로써, 그리고 제2 모터(3)의 회전 방향을 바꿈으로써 후진하게 되며, 통상적으로는 제2 모터(3)를 제어해서 후진 동작을 달성한다.

주차 및 충전 조건

차량이 주차 조건에 있을 때, 차량의 주차 잠금 장치가 파워트레인의 출력부를 잠근다. 이 때문에 외측 링 기어(9)는 이때 잠금 상태에 위치한다. 배터리가 충전을 필요로 하는 경우, 제1 모터(2)와 제2 모터(3) 모두가 동시에 전기 생성 조건에 있고, 엔진(1)의 토크는 배터리를 충전할 전기 생성을 위해 유성 캐리어(7)를 통해 제1 모터(2)와 제2 모터(3)로 각각 전달된다.

재생 제동 조건

차량이 타력주행(coasting down) 중일 때, 차량의 관성 토크가 차동장치(21)와 주 감속기(4)를 통해 외측 링 기어(9)로 전달되며, 이때 외측 링 기어(9)는 동력 입력부로서 역할을 하며, 배터리를 충전할 전기 생성을 위해 제1 모터(2)와 제2 모터(3)로 토크를 재차 공급하여 에너지를 회수하고 차량의 연비를 증가시킨다.

상기 언급된 것은 통상적으로 사용되는 본 발명의 작동 모드의 작동 방식들 중의 단지 일부이다. 본 발명은 두 개의 락 업 클러치와 조합하여 이중 유성 기어 열을 구비한 4-샤프트 변속 기구를 채용하며, 그의 다중 입력부 및 출력부는 동일한 작동 원리에 따른 작동 모드 및 조건의 다중 조합을 가질 수 있다. 본 발명의 교시에 기초한 어떠한 작동 모드 및 제어 방식도 본 발명의 사상 범위로부터 벗어나지 않을 것이다.

Claims

엔진(1), 제1 모터(2), 제2 모터(3), 및 변속 장치를 포함하는 하이브리드 전기차량용 파워트레인으로서, 상기 변속 장치는 제1 유성 기어 열과 제2 유성 기어 열을 포함하는 이중 유성 기어 열을 갖는 유성 기어 세트(5)를 구비하며, 상기 엔진(1)은 상기 유성 기어 세트(5)의 일측에 배치되며, 상기 제1 모터(2)와 제2 모터(3)는 상기 유성 기어 세트(5)의 타측에 배치되며, 상기 제1 유성 기어 열은 소형 태양 기어(6), 유성 캐리어(7), 짧은 유성 기어(8), 그리고 외측 링 기어(9)를 포함하며, 상기 제2 유성 기어 열은 대형 태양 기어(10), 긴 유성 기어(11), 그리고 상기 제1 유성 기어 열과 공유되는 상기 유성 캐리어(7)를 포함하며, 상기 긴 유성 기어(11)는 상기 짧은 유성 기어(8)와 상기 대형 태양 기어(10)와 각각 맞물리며, 상기 대형 태양 기어(10)의 스핀들은 상기 소형 태양 기어(6)의 스핀들에 회전 가능하게 슬리브 결합되며, 상기 엔진(1)의 크랭크 샤프트(12)는 상기 유성 캐리어(7)에 연결되며, 상기 외측 링 기어(9)는 동력을 출력하며, 상기 소형 태양 기어(6)의 스핀들은 상기 제1 모터의 회전자와 연결되며, 상기 소형 태양 기어(6)의 스핀들의 연장부는 제2 락 업 클러치(14)의 일측에 연결되어 상기 소형 태양 기어(6)의 스핀들을 선택적으로 직결시키며, 상기 대형 태양 기어(10)의 스핀들은 상기 제2 모터의 회전자와 연결되며, 상기 유성 캐리어(7)는 제1 락 업 클러치(13)의 일측에 연결되어 상기 유성 캐리어(7)를 선택적으로 직결시키는 것인, 하이브리드 전기 차량용 파워트레인.
제1항에 있어서, 상기 제1 모터(2)와 제2 모터(3)는 통합되어 있는 것을 특징으로 하는 파워트레인.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 짧은 유성 기어(8)와 상기 긴 유성 기어(11)의 개수는 각각 3개 또는 4개이며, 균일한 간격을 두고 원주방향으로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 파워트레인.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 외측 링 기어(9)는 기어 세트 변속 기구로서 역할을 하는 주 감소기(4)에 연결되어 동력을 출력하는 것을 특징으로 하는 파워트레인.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 락 업 클러치(13)의 타측은 상기 유성 기어 세트(5), 상기 제1 모터(2) 및 상기 제2 모터(3)를 둘러싸는 하우징(20)에 연결되며, 상기 제2 락 업 클러치(14)의 타측은 상기 하우징(20)에 연결되는 것을 특징으로 하는 파워트레인.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 하이브리드 전기 차량의 시동을 걸 때, 상기 제1 락 업 클러치(13)는 상기 유성 캐리어(7)를 직결하도록 맞물리며, 이에 의해 엔진(1)의 크랭크 샤프트(12)를 직결하며, 상기 제2 모터(3)는 차량의 시동을 걸기 위해 구동 조건에 있는 것을 특징으로 하는 파워트레인.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 하이브리드 전기 차량이 순수한 전기 구동 모드에 있을 때, 상기 제1 락 업 클러치(13)는 상기 엔진(1)을 직결하도록 맞물리며, 상기 제2 모터(3)는 동력원으로서 작동하여 차량을 구동시키는 것을 특징으로 하는 파워트레인.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 하이브리드 전기 차량이 혼성 구동 모드에 있을 때, 상기 엔진(1), 상기 제1 모터(2), 그리고 상기 제2 모터(3)는 연동하여 토크를 출력하는 한편, 상기 엔진(1)은 원하는 작동 영역에 존재하며, 상기 제1 모터(2)는 전기 생성을 위해 사용되거나 직결되며, 상기 제2 모터(3)는 보조 동력을 제공하는 데에 사용되는 것을 특징으로 하는 파워트레인.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 하이브리드 전기 차량이 주차 및 충전 조건에 있을 때, 상기 외측 링 기어(9)는 잠금되며, 상기 엔진(1)은 상기 제1 모터(2) 및/또는 상기 제2 모터(3)를 구동시켜 배터리를 충전시키는 것을 특징으로 하는 파워트레인.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 하이브리드 전기 차량이 재생 제동 조건에 있을 때, 상기 엔진(1)은 잠금되며, 상기 외측 링 기어(9)는 동력 입력부로서 역할을 하여 상기 제1 모터(2) 및 상기 제2 모터(3)를 구동시켜 전기를 생성하는 것을 특징으로 하는 파워트레인.