KR20130058993A - 차량의 하이브리드 파워트레인 및 그 제어방법 - Google Patents

차량의 하이브리드 파워트레인 및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

동심으로 배치된 엔진구동축 및 변속기구동축; 상기 엔진구동축에 제1클러치를 매개로 로터가 연결되는 제1모터제너레이터; 상기 제1모터제너레이터에 제2클러치를 매개로 로터가 연결되며, 로터는 상기 변속기구동축과 연결된 제2모터제너레이터; 및 상기 제1클러치와 엔진의 사이에 마련된 토션댐퍼;를 포함하는 차량의 하이브리드 파워트레인 및 그 제어방법이 소개된다.

Description

차량의 하이브리드 파워트레인 및 그 제어방법 {HYBRID POWER TRAIN FOR VEHICLE AND METHOD FOR CONTROLLING THE SAME}
본 발명은 차량의 하이브리드 파워트레인에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 내연기관인 엔진과 전기모터를 조합하여 차량을 구동하도록 하는 하이브리드 차량의 파워트레인 및 그 제어방법에 관한 것이다.
종래 하드타입 패러랠 하이브리드 파워트레인은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 차량의 구동력을 발생시키는 모터제너레이터(500)가 변속기(502) 입력축에 연결되고, 엔진(504)과 상기 모터제너레이터(500) 사이에는 클러치(506)를 구비하여 단속할 수 있도록 구성되며, 엔진(504)에는 HSG(Hybrid Starter & Generator; 508)가 별도의 축으로 벨트(510)를 통해 연결되어 있다.
상기 HSG는 상기 모터제너레이터(500)를 통한 전기차 모드 주행 중, 상기 클러치(506)를 차단한 상태에서 엔진을 시동시킨 후 상기 클러치(506)로 엔진을 연결할 수 있도록 하여 하이브리드 모드로 전환할 수 있도록 하는 역할을 비롯하여, 엔진의 시동 오프시 NVH성능을 개선하기 위한 정지토크 발생 및 아이들 상태의 배터리 충전 등의 역할을 한다.
그런데, 상기한 바와 같이 엔진의 크랭크샤프트와는 별도의 축으로 평행한 회전력을 제공하는 HSG(508)는 도시된 바와 같이 동력을 전달하기 위하여 벨트(510)와 풀리로 연결된 구성을 가지고 있으며, 이러한 벨트(510)는 잦은 엔진의 기동과 정지 동작을 감당해야 하는 가혹한 작동 상황에 노출되므로 그 내구성이 충분히 확보되지 못하여, 잦은 교환이 요구되는 실정이다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 벨트를 제거하여 벨트의 내구성에 제한 받지 않도록 하면서도, 종래의 하드타입 패러랠 하이브리드 파워트레인의 모든 작동모드 뿐만 아니라 좀 더 다양한 구동 및 충전제어를 구현할 수 있도록 한 차량의 하이브리드 파워트레인 및 그 제어방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 차량의 하이브리드 파워트레인은, 동심으로 배치된 엔진구동축 및 변속기구동축; 상기 엔진구동축에 제1클러치를 매개로 로터가 연결되는 제1모터제너레이터; 상기 제1모터제너레이터에 제2클러치를 매개로 로터가 연결되며, 로터는 상기 변속기구동축과 연결된 제2모터제너레이터; 및 상기 제1클러치와 엔진의 사이에 마련된 토션댐퍼;를 포함한다.
상기 제1모터제너레이터 및 제2모터제너레이터와 연결되어 동력을 교환하는 배터리;를 더 포함할 수 있다.
상기 제1모터제너레이터와 제2모터제너레이터는 구동용량이 서로 다르도록 할 수 있다.
상기 제1모터제너레이터, 제2모터제너레이터 및 제1클러치, 제2클러치의 모드를 제어하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는 전기차모드에서는 제2모터제너레이터 또는 제1모터제너레이터의 단독토크 또는 제1모터제너레이터와 제2모터제너레이터의 합동토크로 구동하도록 제어할 수 있다.
상기 제어부는 충전모드에서는 엔진과 제1모터제너레이터를 이용하여 충전하되, 제1모터제너레이터는 엔진의 시동 온/오프시 정토크와 역토크를 엔진에 가하도록 제어하도록 할 수 있다.
상기 제어부는 하이브리드모드에서는 엔진과 제2모터제너레이터의 합동토크 또는 엔진과 제1모터제너레이터 및 제2모터제너레이터의 합동토크로 구동하도록 제어하도록 할 수 있다.
상기 제어부는 하이브리드모드에서 엔진이 제1모터제너레이터에 의해 회전수(rpm) 동기화가 이루어진 후 제2모터제너레이터와 연결되도록 제어하도록 할 수 있다.
한편, 상기 차량의 하이브리드 파워트레인의 제어방법은, 전기차모드시 제1모터제너레이터 단독 또는 제2모터제너레이터 단독 또는 제1,2모터제너레이터 합동토크로 변속기구동축에 구동력을 전달하고, 하이브리드모드시 엔진과 제2모터제너레이터의 합동 또는 엔진과 제1,2모터제너레이터의 합동토크로 변속기구동축에 구동력을 전달하도록 한다.
충전모드시, 엔진과 제1모터제너레이터를 이용하여 충전하되 제1모터제너레이터는 엔진의 시동 온/오프시 정토크와 역토크를 엔진에 가하도록 할 수 있다.
하이브리드모드시 제1모터제너레이터에 의해 엔진이 제2모터제너레이터와 회전수(rpm) 동기화가 이루어지도록 한 후 엔진과 제2모터제너레이터를 연결하도록 할 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 차량의 하이브리드 파워트레인 및 그 제어방법에 따르면, 종래 HSG와 엔진의 동력 전달을 위해 요구되었던 벨트를 제거하여 벨트의 내구성에 제한 받지 않도록 하면서도, 종래의 하드타입 패러랠 하이브리드 파워트레인의 모든 작동모드 및 추가적인 작동모드를 구현할 수 있도록 하며, 벨트와 풀리, 아이들러 및 텐셔너 등의 부품이 소요되지 않아 원가가 절감되고 보다 컴팩트한 파워트레인 구성이 가능하도록 한다.
도 1은 종래 기술에 의한 하드타입 패러랠 하이브리드 파워트레인을 구성하기 위해 엔진의 크랭크샤프트에 HSG가 벨트로 연결된 구성을 도시한 도면.
도 2는 종래 기술에 의한 하드타입 패러랠 하이브리드 파워트레인의 개념도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 하이브리드 파워트레인의 개념도.
도 4는 도 3에 도시된 차량의 하이브리드 파워트레인의 요부 구성도.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 차량의 하이브리드 파워트레인 및 그 제어방법에 대하여 살펴본다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 하이브리드 파워트레인의 개념도이고, 도 4는 도 3에 도시된 차량의 하이브리드 파워트레인의 요부 구성도이다.
본 발명의 차량의 하이브리드 파워트레인은, 동심으로 배치된 엔진구동축(12) 및 변속기구동축(42); 상기 엔진구동축(12)에 제1클러치(50)를 매개로 로터가 연결되는 제1모터제너레이터(20); 상기 제1모터제너레이터(20)에 제2클러치(60)를 매개로 로터가 연결되며, 로터는 상기 변속기구동축(42)과 연결된 제2모터제너레이터(30); 및 상기 제1클러치(50)와 엔진(10)의 사이에 마련된 토션댐퍼(80);를 포함한다.
본 발명은 종래 HSG를 대체하는 제1모터제너레이터(20)의 회전축을 엔진구동축(12)과 별도로 구성하지 않고 동심축상에 일체로 구비할 수 있도록 함으로써, 종래 벨트와 같은 동력전달부품의 사용이 원천적으로 배제될 수 있도록 한 것이다.
여기서, 상기 엔진구동축(12)은 엔진의 크랭크샤프트 등이 될 수 있을 것이며, 상기 변속기구동축(42)은 변속기 입력축 등이 될 수 있을 것이다. 그리고 제1클러치(50)를 통해 제1모터제너레이터(20)와 엔진(10)이 결속되고, 제2클러치(60)를 통해 제1모터제너레이터(20)와 제2모터제너레이터(30)가 결속될 수 있도록 한다.
한편, 종래의 벨트가 삭제됨으로써 벨트의 내구주기에 따른 교환문제나 안정성의 문제가 사라지게 되고, 모터로서 엔진의 회전수를 제어할 수 있도록 함으로써 엔진의 정토크 또는 역토크로서 시동 온 또는 오프시 소음/진동이 현저히 감소하게 되며, 엔진은 단지 발전기의 역할로서만 구동되도록 할 수 있어 최적의 연비를 구현하도록 한다.
본 발명의 실시예는, 상기 제1모터제너레이터(20) 및 제2모터제너레이터(30)와 연결되어 동력을 교환하는 배터리(70);를 더 포함하고, 상기 제1모터제너레이터(20), 제2모터제너레이터(30) 및 제1클러치(50), 제2클러치(60)의 모드를 제어하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.
배터리는 상기 제1모터제너레이터(20) 및 제2모터제너레이터(30)와 연결되어 모터에 전력을 공급하거나 반대로 모터를 통하여 충전이 될 수 있도록 한다. 그리고 이러한 구성은 제어부에서 상기 제1모터제너레이터(20), 제2모터제너레이터(30) 및 제1클러치(50), 제2클러치(60)의 모드를 제어함으로써 모터가 토크를 가하거나 회수할 수 있도록 제어하고 클러치 역시 체결이나 분리가 가능하도록 제어한다. 이러한 클러치는 마찰습식클러치가 사용될 수 있을 것이다.
한편, 상기 제1모터제너레이터(20)와 제2모터제너레이터(30)는 구동용량이 서로 다르도록 구성함이 바람직하다. 이를 통하여 두 가지 모터의 합동 또는 분리를 통하여 총 3가지의 한계토크 및 발전가능량을 갖게 되는 것이다.
구체적인 제어에 있어서, 상기 제어부는 전기차모드에서는 제2모터제너레이터(30) 또는 제1모터제너레이터(20)의 단독토크 또는 제1모터제너레이터(20)와 제2모터제너레이터(30)의 합동토크로 구동하도록 제어하도록 한다.
그리고, 충전모드에서는 엔진(10)과 제1모터제너레이터(20)를 이용하여 충전하되, 제1모터제너레이터(20)는 엔진(10)의 시동 온/오프시 정토크와 역토크를 엔진에 가하도록 제어하도록 한다.
또한, 하이브리드모드에서는 엔진(10)과 제2모터제너레이터(30)의 합동토크 또는 엔진(10)과 제1모터제너레이터(20) 및 제2모터제너레이터(30)의 합동토크로 구동하도록 제어하도록 한다. 다만, 상기 제어부는 하이브리드모드에서 엔진(10)이 제1모터제너레이터(20)에 의해 회전수(rpm) 동기화가 이루어진 후 제2모터제너레이터(30)와 연결되도록 제어하도록 한다.
즉, 전기차(EV)모드에서는, 제1모터제너레이터(20) / 제2모터제너레이터(30) / 제1,2모터제너레이터(20,30)의 합동토크로 다단화하여 구동력을 발생시킬 수 있다.
그리고, 하이브리드(HEV)모드에서는 엔진(10)과 함께 제2모터제너레이터(30) / 제1,2모터제너레이터(20,30)의 합동토크로 구동력을 발생시킬 수 있다. 제어부는 하이브리드모드에서 엔진(10)이 제1모터제너레이터(20)에 의해 회전수(rpm) 동기화가 이루어진 후 제2모터제너레이터(30)와 연결되도록 제어함으로써 최적의 성능과 주행감을 구현하도록 할 수 있다.
한편, 엔진(10)은 주로 배터리(70)의 충전을 위한 구동시 사용되는 것으로서, 최적의 효율과 연비로 아이들 시동상태에서 제1모터제너레이터(20)를 통하여 배터리를 충전토록 하는 것이다. 그와 동시에 제2모터제너레이터(30)는 전기차모드로 구동이 가능하도록 한다. 또한, 제1모터제너레이터(20)는 엔진(10)의 시동 온/오프시 정토크와 역토크를 엔진(10)에 가하도록 제어됨으로써 시동에 따른 충격과 소음을 방지토록 한다. 그리고, 제1클러치(50)와 엔진(10)의 사이에는 토션댐퍼(80)를 마련함으로써 그 사이에 발생될 수 있는 충격을 흡수하도록 한다.
이러한 차량의 하이브리드 파워트레인의 제어방법은, 전기차모드시 제1모터제너레이터 단독 또는 제2모터제너레이터 단독 또는 제1,2모터제너레이터 합동토크로 변속기구동축에 구동력을 전달하고, 하이브리드모드시 엔진과 제2모터제너레이터의 합동 또는 엔진과 제1,2모터제너레이터의 합동토크로 변속기구동축에 구동력을 전달하는 것이다.
또한, 충전모드시에는 엔진과 제1모터제너레이터를 이용하여 충전하되 제1모터제너레이터는 엔진의 시동 온/오프시 정토크와 역토크를 엔진에 가하도록 할 수 있다.
또한, 하이브리드모드시 제1모터제너레이터에 의해 엔진이 제2모터제너레이터와 회전수(rpm) 동기화가 이루어지도록 한 후 엔진과 제2모터제너레이터를 연결하도록 하는 것도 가능하다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 차량의 하이브리드 파워트레인 및 그 제어방법에 따르면, 종래 HSG와 엔진의 동력 전달을 위해 요구되었던 벨트를 제거하여 벨트의 내구성에 제한 받지 않도록 하면서도, 종래의 하드타입 패러랠 하이브리드 파워트레인의 모든 작동모드 및 추가적인 작동모드를 구현할 수 있도록 하며, 벨트와 풀리, 아이들러 및 텐셔너 등의 부품이 소요되지 않아 원가가 절감되고 보다 컴팩트한 파워트레인 구성이 가능하도록 한다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10 : 엔진 20 : 제1모터제너레이터
30 : 제2모터제너레이터 40 : 변속기
50 : 제1클러치 60 : 제2클러치

Claims (11)

  1. 동심으로 배치된 엔진구동축(12) 및 변속기구동축(42);
    상기 엔진구동축(12)에 제1클러치(50)를 매개로 로터가 연결되는 제1모터제너레이터(20);
    상기 제1모터제너레이터(20)에 제2클러치(60)를 매개로 로터가 연결되며, 로터는 상기 변속기구동축(42)과 연결된 제2모터제너레이터(30); 및
    상기 제1클러치(50)와 엔진(10)의 사이에 마련된 토션댐퍼(80);를 포함하는 차량의 하이브리드 파워트레인.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1모터제너레이터(20) 및 제2모터제너레이터(30)와 연결되어 동력을 교환하는 배터리(70);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 파워트레인.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1모터제너레이터(20)와 제2모터제너레이터(30)는 구동용량이 서로 다른 것을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 파워트레인.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1모터제너레이터(20), 제2모터제너레이터(30) 및 제1클러치(50), 제2클러치(60)의 모드를 제어하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 파워트레인.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제어부는 전기차모드에서는 제2모터제너레이터(30) 또는 제1모터제너레이터(20)의 단독토크 또는 제1모터제너레이터(20)와 제2모터제너레이터(30)의 합동토크로 구동하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 파워트레인.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는 충전모드에서는 엔진(10)과 제1모터제너레이터(20)를 이용하여 충전하되, 제1모터제너레이터(20)는 엔진(10)의 시동 온/오프시 정토크와 역토크를 엔진에 가하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 파워트레인.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는 하이브리드모드에서는 엔진(10)과 제2모터제너레이터(30)의 합동토크 또는 엔진(10)과 제1모터제너레이터(20) 및 제2모터제너레이터(30)의 합동토크로 구동하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 파워트레인.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제어부는 하이브리드모드에서 엔진(10)이 제1모터제너레이터(20)에 의해 회전수(rpm) 동기화가 이루어진 후 제2모터제너레이터(30)와 연결되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 파워트레인.
  9. 청구항 1의 차량의 하이브리드 파워트레인의 제어방법으로서,
    전기차모드시 제1모터제너레이터 단독 또는 제2모터제너레이터 단독 또는 제1,2모터제너레이터 합동토크로 변속기구동축에 구동력을 전달하고, 하이브리드모드시 엔진과 제2모터제너레이터의 합동 또는 엔진과 제1,2모터제너레이터의 합동토크로 변속기구동축에 구동력을 전달하는 것을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 파워트레인의 제어방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    충전모드시, 엔진과 제1모터제너레이터를 이용하여 충전하되 제1모터제너레이터는 엔진의 시동 온/오프시 정토크와 역토크를 엔진에 가하는 것을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 파워트레인의 제어방법.
  11. 청구항 9에 있어서,
    하이브리드모드시 제1모터제너레이터에 의해 엔진이 제2모터제너레이터와 회전수(rpm) 동기화가 이루어지도록 한 후 엔진과 제2모터제너레이터를 연결하는 것을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 파워트레인의 제어방법.
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